5.7. Обобщенные алгоритмы управления технологическим циклом

Сложные алгоритмы АСУТП, начиная с алгоритмов цифровых регуляторов параметров исполнительных устройств, опираются на типовые логические и арифметические процедуры, реализуемые процессорами управляющих микро-ЭВМ, Эти алгоритмы в конечном итоге воплощаются в УП, определяющих функционирование АСУТП. Порядок составления таких программ зависит от принятого языка программирования, но в любом случае в программе должны быть описаны все реализуемые ею арифметические и логические операции и даны точные указания относительно порядка их реализации, а также порядка поступления в УВМ входных и распределения выходных управляющих сигналов.

Предварительное описание действий УВМ по выполнению будущей УП может быть сделано обычным языком с применением соответствующей технической терминологии и условных обозначений. Однако подготовка программы значительно облегчается, если дополнительно составить алгоритм управления в виде особым образом подготовленной схемы.

Основными графическими элементами схемы алгоритмов являются прямоугольники и ромбы. Прямоугольники служат для отображения арифметических операций и операций с запоминающими устройствами, а ромбы служат для задания логических условий. Графические элементы алгоритма располагают по преимуществу сверху вниз в порядке выполнения действий, предусмотренных алгоритмом. Особо отмечают начало и конец алгоритма либо овалом, либо кружком. Затем графические элементы алгоритма соединяют стрелками, указывающими точную последовательность выполняемых операций и различные переходы, связанные с изменением порядка выполняемых операций.

В качестве примера рассмотрим составление алгоритма цифрового регулятора, действующего в замкнутом контуре управления электроприводом или другим исполнительным устройством (см.рис.5.22).

Общая формула разностного уравнения для вычисления регулирующего воздействия U_р, формируемого регулятором, может быть представлена в таком виде:

; a_m+1=0, (5.17)

где (5.18).

количество шагов квантования за время t работы регулятора;

Т – такт, период дискретности цифровой системы управления (шаг квантования по времени):

– текущее дискретное значение величины рассогласования на входе регулятора;

– дискретное значение Е за i шагов квантования назад:

– текущее дискретное значение регулирующего воздействия:

– дискретное значение U за i шагов квантования назад:

а₀ , а₁ ,…, а_m – коэффициенты знаменателя дискретной передаточной функции регулятора: а_m+1 = 0 – фиктивный коэффициент, введенный для упрощения программы:

b₀ , b₁ ,…, b_n – коэффициенты числителя той же функции.

Все коэффициенты а_i и b_i являются функциями периода дискретности Т, который обычно является параметром заданной цифровой системы управления.

Чтобы рассчитать текущее значение Uр( ), необходимо, судя по формуле (5.17), предварительно рассчитать все произведения вида в_n-i и – вида , а затем их алгебраически сложить. Если расчет начинается с момента времени =0, то должны быть заданы все начальные значения величин и и, конечно, все коэффициенты а_i и в_i. Задание этих величин в алгоритме, приведенном на рис.5.22, не показано, но оно подразумевается. Начало расчета помечено на рис.5.22 цифрой I, а конец расчета – цифрой II, обе в кружках. Расчет начинается с задания нового дискретного значения задающей частью системы- управления, которой принадлежит данный регулятор. Поскольку все начальные условия расчета учтены в формуле (5.17), то перед началом расчета прошлое значение полагается равным нулю ( = 0). Обнуляется и переменная цикла расчетов (i=0). Это означает, что обнуляются ячейки ОЗУ, в которых хранятся текущее значение и текущее значение переменной цикла. Первый сверху прямоугольник рассматриваемого алгоритма является, таким образом, заданием операций с ОЗУ. Далее в алгоритме (рис.5.22) организовано формирование m+2 произведений типа

включая фиктивное при i=0, которое является первым в цикле расчетов. Последнее произведение будет соответствовать i = m + 1 и даст – . Дальнейшие расчеты произведений данного типа будут прекращены согласно записанному в верхнем ромбе условию i > m + 1. Если это условие соблюдается (вариант ДА), то совершается переход к расчету произведений типа

в обход расчета произведений первого типа. Такой переход называется условным переходом (переход в обход некоторой части программы в случае выполнения заданного условия). Расчет n + 1 произведений второго типа ограничен условием i > n , т.е. совершается до тех пор, пока имеет место i < n.

После каждого из расчетов заданных произведений полученное произведение суммируется в состав по формуле

или по формуле

.

Это означает, что каждый раз из ОЗУ извлекается накопленное значение и к нему прибавляется либо U_a, либо U_b, пока не будут рассчитаны и суммированы в состав все заданные произведения. Если все произведения U_b подсчитаны, то по условию i>n (вариант ДА) происходит переход к проверке, все ли расчеты U_a выполнены, через исполнение условия i>m+1. Это необходимо в тех случаях, когда имеет место m+1>n. В таких случаях, хотя расчеты по условию i>n будут завершены, условие i>m+1 еще не будет выполняться, так что расчеты U_а нужно будет продолжить. Для продолжения расчетов значение i увеличивается на единицу блоком i=i+1.

Выполнение одновременно условий i>n и i>m+1 (вариант А) свидетельствует об окончании расчетов текущего значения U_р, которое поступает на выход II (в кружке) и далее в систему управления силовой частью исполнительного устройства. В следующем такте Т, после поступления нового значения рассогласования начнется расчет нового значения U_р, а только что рассчитанное значение U_р станет прошлым, что выражается соотношением :

U_р( -1) =U_р( ).

Последняя формула означает, что как только будет рассчитано значение оно будет занесено в ячейку ОЗУ, где до того хранилось значение , то есть предыдущее значение U_р. Предварительно значение переносится в ячейку ОЗУ, где хранилось значение и т.д. Этот процесс называется сдвигом значений выходной величины. Аналогично производится сдвиг входной величины Е. Он продолжается до тех пор, пока не получит новое значение наибольшая по номеру из величин или Данные сдвиги отображены в самом нижнем прямоугольнике схемы алгоритма (рис.5.22).

E( )

Да

Нет

Да

Да

Нет

Нет

U_p( )

Рис. 5.22. Алгоритм цифрового регулятора

Время такта Т обычно является жестко заданным (например, конструкцией исполнительного устройства) периодом дискретности, так что время выполнения расчетов величины должно (с некоторым запасом) укладываться во время Т. Отсюда возможны различные подходы к разработке алгоритма и управляющей программы регулятора. Если время расчетов достаточно мало, то алгоритм и программу можно разрабатывать исходя из условия ее минимальной длины (что и делалось), чтобы она занимала меньше места в ПЗУ. Если же время расчетов угрожающе велико, то программу разрабатывают исходя из требования обеспечения ее максимального быстродействия.

При рассмотрении системы автоматизации в целом обсуждать подробности алгоритмов отдельных регуляторов, входящих в ее состав, не представляется возможным. Схема общего алгоритма сложной системы обычно состоит из ряда прямоугольников, в которых размещаются названия разделов УП, и связывающих их ромбов основных логических условий функционирования системы. Такие алгоритмы необходимы как сжатое и удобное для обозрения описание системы автоматизации.

В качестве примера рассмотрим общий алгоритм микропроцессорной системы управления лифтом (рис.5.23). Функционирование системы управления в общих чертах становится понятным по надписям на схеме алгоритма. После включения в работу (блок 1 алгоритма) и в течение всего времени работы производится постоянный контроль цепи безопасности (ромб условного перехода 2). При размыкании этой цепи (вариант ДА) происходит аварийная остановка лифта (блок 3). Если кабина лифта остановилась на ловителях или от воздействия на конечные выключатели, то необходимо воспользоваться режимом деблокировки. В случае остановки по причине неисправности другого типа, поиск и устранение неисправностей (6) производится без вхождения в режим деблокировки. Ромбы 7, 8 и 9 определяют условия задания тех или иных режимов управления лифтом, реализуемых программными блоками 10, 11 и 12. При этом в режиме ревизии шахты лифта управление лифтом возможно только с поста ревизии на крыше кабины. Выполнение программы управления лифтом согласно алгоритму рис.5.23 продолжается до тех пор, пока не поступит команда остановки.

Для более подробного ознакомления с системой управления лифтом необходимо рассмотреть алгоритмы подпрограмм, входящих в состав общего алгоритма. Тогда окажется, что в них входят, в частности, алгоритмы управления режимами работы электропривода лифтового подъемника. И только при рассмотрении составов последних алгоритмов дело дойдет до рассмотрения алгоритмов функционирования регуляторов скорости и положения в составе цифровой системы управления электроприводом механизма подъема, аналогичных рассмотренному выше цифровому регулятору. А в завершение должна быть рассмотрена реализация заданных алгоритмов управления средствами микропроцессорной техники.

При реализации заданных алгоритмов их иерархии приводится в соответствие иерархия управляющих микропроцессорных устройств, внутри которых с помощью системы приоритетов строится иерархия управляющих программ.

Да

Нет

Нет

Да

Да

Нет

Да

Нет

Да

Нет

Рис.5.23. Общий алгоритм управления лифтом