Алгоритм автонастройки ПИД – регулятора основанный на методе Циглера - Николса

STEP 7  содержит  полный  спектр  инструментальных  средств, необходимых для выполнения всех этапов разработки проекта, а также последующей эксплуатации системы управления:

—  SIMATIC Manager -  ядро  пакета STEP 7,  позволяющий выполнять управление всеми составными частями проекта, осуществлять быстрый поиск необходимых компонентов, производить запуск необходимых инструментальных средств.

—  Symbol Editor -  программа задания символьных  имен,  типов данных,  ввода комментариев  для глобальных  переменных. Символьные имена доступны во всех приложениях.

—  Hardware Configuration - для программного конфигурирования аппаратуры  системы автоматизации и настройки параметров всех  модулей.  Выполняется автоматическая  проверка  корректности всех вводимых данных. 

—  Communication - для задания управляемой по времени циклической передачи данных между компонентами автоматизации через MPI или для событийно управляемой передачи данных через MPI, PROFIBUS или Industrial Ethernet.

—  System diagnosis  - предоставляет пользователю обзор состояния контроллера.

—  Information functions -  для быстрого  обзора  данных CPU  и поведения написанной пользователем программы.

—  Документирование -  предоставляет пользователю  функции документирования всего проекта.

Редактор программ STEP7  позволяет выполнять разработку программ  на  языках  Statement List (STL – список  команд); Ladder Diagram (LAD – релейно-контактный план); Function Block Diagram (FBD – функциональный  план),  отвечающих  требованиям стандарта IEC 61131-3. Более того, для специальных задач могут использоваться  дополнительные  языки программирования  высокого уровня или технологически ориентированные языки.

SIMATIC WinCC – это  современная  система[6]  с удобным пользовательским  интерфейсом для создания  офисных и промышленных  приложений,  гарантирующая стабильную  и надежную работу и предоставляющая эффективные инструментальные средства для конфигурирования. Она подходит  как для простых,  так и для сложных задач, а также может служить платформой  для ИТ &  Бизнес  интеграции.  Благодаря всестороннему сервисному  обслуживанию  и поддержке Siemens WinCC  может использоваться  по всему миру. Этот  подход  позволил WinCC  стать  промышленным  стандартом,  лидером  на европейском рынке. WinCC –  это  всегда  выбор номер один, если вы хотите, чтобы завод или установка работали оптимально, то есть повысить эффективность и производительность.

SIMATIC WinCC - базовые функциональные  модули:

—  WinCC Explorer быстрый обзор всех данных проекта, глобальных установок, запуска редакторов и режима Run-time, конфигурация системы “клиент-сервер”, загрузка изменений проекта непосредственно в Runtime.

— Graphics Designer разработка мнемосхем с поддержкой централизованно изменяемых шаблонов дизайна, цветовой палитры, объектов пользователя. Динамизация осуществляется с помощью прямой привязки к тегам, динамических диалогов, визардов, скриптов на языках ANSI-C или VBS.

—  Alarm Logging сбор и архивация сообщений. Поддерживаются два метода генерации сообщений: периодический опрос тегов или прием пакетов ПЛК штамп времени ПЛК). Сообщения могут генерировать звуковые сигналы.

—  Tag Logging сбор, сжатие и архивирование тегов. База данных основана на MS SQL Server. Архивация производится циклически, или управляется событиями в системе. Может производиться архивация отдельных тегов или целиком блоков данных ПЛК.  Возможна конфигурация с центральным архивным сервером.

—  Report Designer генерация отчетов в свободно программируемом формате, управляемая событиями или по времени. Возможна генерация протоколов сообщений,  измеряемых величин и пользовательских отчетов. В отчет можно включать данные из CSV файлов и баз данных.

—  Global Script программирование действий, производимых с графическими

объектами, а также скриптов, выполняющихся  в фоновом режиме, на языках ANSI-C или Visual Basic Scripts. Можно подключать динамические библиотеки DLL (только в ANSI-С) и работать с  ActiveX объектами.

—  User Administrator управление пользователями и уровнями доступа в проекте.

Может интегрироваться в систему безопасности Windows при работе совместно с Simatic Logon. Поддерживается управление веб-пользователями для Web Navigator.

— Text Library и Text Distributor управление текстами и мультиязыковыми проектами. Поддерживается экспорт и импорт текстов из всех редакторов.

—  Menu & Toolbar редактор, позволяющий создавать пользовательские меню и панели инструментов для экранов и окон.

SIMATIC ProTool/Pro представляет собой мощный и легкий в использовании пакет визуализации [7] применяемый для отображения параметров технологического процесса и работающий под Windows 95/98, Windows 2000 и Windows NT 4.0. Современные концепции автоматизации предъявляют высокие требования к визуализации технологического процесса. В частности, автоматизированные системы управления технологическим процессом должны удовлетворять требованиям высокой производительности и простоты управления. При этом информацию о технологическом процессе необходимо представлять оператору быстро и четко, в легко понятной форме, например, в виде кривой тренда. Все более важной становится задача представления оператору технологического процесса таким

образом, чтобы облегчить ассоциацию графического изображения с реальным объектом. Кроме того, все более необходимой  становится архивация данных, например, с целью контроля качества. Это  приводит к необходимости архивирования  технологической информации даже на автоматизированных участках производства. SIMATIC ProTool/Pro удовлетворяет перечисленным  требованиям. SIMATIC ProTool/Pro был создан для визуализации функционирования механизмов и небольших установок. Высокопроизводительное ПО времени  исполнения обеспечивает надежное управление технологическим процессом за счет коротких времен отклика. Управление механизмами  одним нажатием кнопки и сбор достоверной  информации о них не представляет сложностей.

Преимущества системы WinCС над  системой ProTool/Pro велики: пользовательский интерфейс в ProTool/Pro примитивен по сравнению с WinCС, время обновления кадров сильно отстает от реального времени, что не наблюдается в WinCС.  Также минимальный цикл обновлений данных, получаемых с контролера, в WinCC равен 250 мс, в ProTool/Pro равен 1 с, что дает более грубый графики процессов.

1.3 Обзор библиотеки стандартных функций СПЛК Simatic S7

 

Для формулирования решения задачи автонастройки мы будем использовать языки программирования STEP 7[4].

Базовое программное обеспечение STEP 7 включает в свой состав стандартную  библиотеку Standard Library, которая содержит следующие библиотечные программы:

а) Организационные блоки (Organization Blocks);

б) Системные функциональные блоки (System Function Blocks);

в) Функциональные блоки IEC (IEC Function Blocks);

г) Блоки преобразования S5-S7 (S5-S7 Converting Blocks);

д) Блоки преобразования TI-S7 (TI-S7 Converting Blocks);

е) Блоки PID-управления (PID Control Blocks);

ж) Коммуникационные блоки (Communication Blocks).

Из указанных библиотечных программ вы можете копировать блоки и описания интерфейсов в собственные проекты.

 

Таблица 1.3-Блоки PID-управления

FB	Имя	Назначение
41	CONT_C	Непрерывное управление
42	CONT_S	Пошаговое управление
43	PULGEN	Генерирование импульса

 

В рамках данной работы нам достаточно провести обзор блока FB 41 "CONT_C" (регулятор  непрерывного  действия)   PID-управления.

FB 41 "CONT_C" используется  в программируемых логических  контроллерах  для управления техническими  процессами  с непрерывными  входными  и выходными переменными.  При назначении  параметров  Вы  можете  активировать  и деактивировать  отдельные функции ПИД–регулятора,  чтобы адаптировать его к процессу.

Этот  регулятор  можно  использовать  как  ПИД-регулятор  с  постоянными  уставками  или  в  многоконтурных  системах  регулирования  в  качестве каскадного  регулятора,  регулятора  состава  смеси  или  пропорционального  регулятора. Функции регулятора основаны на ПИД-алгоритме регулирования  дискретного  регулятора  с  аналоговым  сигналом,  дополненном,  в необходимых  случаях,  ступенью  формирования  импульсов  в  целях формирования  выходных  сигналов  с  широтно-импульсной  модуляцией  для двух-  или  трехпозиционного  регулирования  с  пропорциональными приводами.

Вычисление  значений  в  блоках  управления  будет  корректным  только  в случае,  когда  эти  блоки  будут  вызываться  с  регулярным  интервалом времени.  Поэтому  Вы  должны  вызывать  блоки  управления  в OB-блоках обработки  циклического прерывания (OB 30 … OB 38). Задайте  время цикла в параметре CYCLE.

Наряду с функциями в цепях  уставки и цепях переменной процесса, FB реализует  готовый  ПИД-регулятор  с  непрерывным  управлением  и  возможностью  ручного  воздействия  на  управляющий  сигналы. 

Ниже представлено подробное описание частных функций:

— Цепи уставки. Уставка вводится на входе SP_INT в формате с плавающей точкой.

— Цепи переменной процесса. Переменная процесса может вводиться в формате периферии или в формате с плавающей точкой. Функция CRP_IN преобразует периферийное значение PV_PER  в формат  с плавающей точкой  в диапазоне -100 .... +100 %  в соответствии со следующей формулой: Выход CPR_IN = PV_PER *100/27648. Функция PV_NORM нормирует выход CRP_IN в соответствии со следующей формулой: Выход PV_NORM = (выход CPR_IN) * PV_FAC + PV_OFF PV_FAC имеет значение по умолчанию, равное 1, а PV_OFF значение по умолчанию, равное 0.

— Сигнал ошибки. Разность  между  значением  уставки  и  значением  переменной  процесса называется  сигналом  ошибки (сигналом  рассогласования).  Для  подавления малых  незатухающих  колебаний  из-за  квантованности  регулирующего воздействия (например, в случае широтно-импульсной модуляции с помощью PULSEGEN)  к  сигналу  ошибки  применяется  амплитудный  фильтр (DEADBAND). Если DEADB_W = 0, то амплитудный фильтр выключен.

— ПИД-алгоритм. ПИД–алгоритм работает как алгоритм позиционирования. Пропорциональное, интегрирующая (INT) и дифференцирующая (DIF) составляющие воздействия включены  параллельно  и  могут  активироваться  и  деактивироваться  по отдельности. Это дает  возможность  конфигурировать   П-, ПИ-, ПД- и ПИД-регуляторы. Возможны также "чистые" И- и Д-регуляторы.

— Значение, вводимое вручную. Имеется  возможность  переключения  между  ручным  и  автоматическим режимом.  В  ручном  режиме  управляющее  воздействие  корректируется  в соответствии со значением, выбранным вручную. Интегратор (INT) внутренне устанавливается на LMN - LMN_P - DISV, а дифференцирующее устройство (DIF)  устанавливается  на 0,  и  производится  внутреннее  согласование.  Это значит,  что переключение  в автоматический режим не  вызывает внезапного изменения управляющего воздействия.

— Управляющее воздействие. Управляющая  величина  может  быть  ограничена  выбранным  значением  с помощью  функции LMNLIMIT.  Пересечение  входной  величиной  границ отображается сигнальными битами. 

Функция LMN_NORM нормирует выход функции LMNLIMIT в соответствии со следующей  формулой:

LMN = (выход LMNLIMIT) * LMN_FAC + LMN_OFF

LMN_FAC по умолчанию равно 1, а LMN_OFF по умолчанию равно 0. Управляющее   значение  доступно  также   в  периферийном формате. Функция  CRP_OUT преобразует  значение  с  плавающей  точкой LMN в периферийное  значение в соответствии со  следующей формулой:

LMN_PER = LMN *100/27648.

— Управление с использованием предыскажений. Возмущающее воздействие может быть подано на вход DISV.

— Инициализация. FB41 "CONT_C" имеет подпрограмму инициализации, которая прогоняется, когда установлен входной параметр COM_RST = TRUE. Во время инициализации интегратор устанавливается на значение инициализации I_ITVAL. Когда он вызывается в классе приоритета циклических прерываний, он продолжает функционировать, начиная с этого значения. Все остальные выходы устанавливаются на их значения по умолчанию.

— Информация об ошибках. Параметр вывода ошибок RET_VAL не используется.

В приложении А представлена блок-схема FB 41 "CONT_C".

1.4 Постановка задачи

 

Все виды автоматической настройки  используют три принципиально важных этапа: идентификация, расчёт параметров регулятора, настройка регулятора[8]. Часто конечный этап включает этап подстройки (заключительная оптимизация настройки). Оптимизация настройки необходима в связи с тем, что методы расчёта параметров регулятора по формулам не учитывают нелинейности объекта.

Структурная схема самонастраивающейся  системы приведена на  рисунке   1.4. Автонастройка практически не имеет никаких особенностей по сравнению с описанными раннее методами, за исключением того, что она выполняется в автоматическом режиме.

 

 

Рисунок 1.4- Общая структура системы

с автоматической настройкой

 

В данной работе описывается разработка алгоритма автонастройки регулятора основанная на математических моделях  объекта регулирования, т.е. мы пропускаем этап идентификации объекта, и работаем исключительно с моделью объекта. Так как необходимость идентификация при каждом изменении объекта несет характер адаптированной системы регулирования, что не входит в рамки данной работы.

Исходя из этого, структуру системы  с автоматической настройкой можно  представить виде схемы представленной на рисунке 1.5.

 

Рисунок 1.5 - Структура системы

с автоматической настройкой, основанная на модели объекта

 

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