Системы управления исполнительными механизмами

Предлагаемый подход основан на разных формах представления объекта управления (в виде непрерывной модели) и устройства управления (в виде дискретной модели), причем структура устройства управления предполагается заданной не в виде дискретной передаточной функции, а в виде линейного дискретного регулятора состояния системы.

Векторная структурная схема такой дискретно-непрерывной системы приведена на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Векторная структурная схема дискретно-непрерывной САУ

Пунктирными линиями на схеме выделены объект управления (ОУ) и устройство управления (УУ) – дискретный регулятор состояния. Дискретизация вектора управления и, соответственно, всех аддитивных воздействий осуществляется в моменты времени kT (k = 0, 1, 2, …) методом интерполяции нулевого порядка. Экстраполятор (фиксатор) нулевого порядка обозначен на схеме аббревиатурой ЭНП. Простейшая аппаратная реализация векторного ЭНП – m устройств выборки-хранения, имеющих общий квантователь сигналов в моменты времени kT (m – размерность вектора управления). При микропроцессорной реализации дискретного регулятора состояния ЭНП – совокупность регистров памяти с перезаписью информации с тактом T управления.

Заметим, что линейность моделей (9.6) объекта управления и регулятора (9.7) состояния объекта управления позволяет при

241

синтезе САУ применить принцип суперпозиции управляемых динамических процессов. Проведем декомпозицию управляющей дискретной последовательности и динамических процессов в системе на две составляющие – управляемый свободный процесс и управляемый вынужденный процесс. В соответствии с этим в процедуре синтеза выделим два этапа – синтез свободного и синтез вынужденного движения.

Синтез свободного движения САУ

Управляемый свободный процесс в системе определяется парой матриц A, B объекта управления и матрицей регулятора состояния, призванной обеспечивать оптимальность переходных свободных движений при произвольных начальных значениях вектора состояния X(0). На первом этапе синтеза будем полагать равными

Для нахождения матрицы воспользуемся теоремой об n интервалах дискретного управления в сочетании с принципом оптимальности Беллмана [10]. Не снижая общности выкладок, будем полагать, что оптимальное свободное движение системы завершается через n тактов дискретного управления в нулевой точке пространства состояний Х(п) = 0. Сформируем расширенный вектор-

и перепишем уравнение для случая управляемого свободного движения в виде

Зададимся некоторой произвольной дискретной управляющей последовательностью U(kT), k = –1, –2, ..., –n и рассмотрим движение системы в обратном времени, т.е. примем конечное нулевое состояние системы за начальное. Проинтегрируем уравнение (9.10) при нулевых начальных условиях X(0) = 0, воспользовавшись аппаратом переходных матриц состояния, получим векторное дискретное уравнение состояния:

где Φ 1 D,T – расширенная обратная матрица перехода.

Сформируем матрицы дискретного управления W размерности т×п и дискретного состояния G размерности п×п в виде

Поскольку не наложены какие-либо ограничения на множества управляющих воздействий и дискретные состояния системы, а также по определению система находилась в нулевом начальном состоянии, очевидно, что ее движение в обратном (по отношению к принятому при синтезе) направлении будет носить оптимальный по быстродействию апериодический характер. Следовательно, с учетом выражения (9.8) искомую матрицу можно найти в виде

Решение векторно-матричного уравнения (9.15) будет единственным при полном ранге матрицы G, т.е. если rank(G) = n.

Синтез вынужденного движения САУ

На втором этапе синтеза определим матрицы β, γ, δ, входящие в выражение (9.12). Для этого рассмотрим вынужденное движение системы.

243

Представим вектор-столбец установившихся состояний САУ в виде

где Х1 – подвектор размерности m 1, определяющий заданное установившееся состояние системы, т.е. Х1 = Х*; Х2 – подвектор размерности (n – m) 1, включающий в себя остальные координаты состояния системы управления.

Соответствующую матрицу установившихся состояний представим в виде блочной матрицы

где А1, А2 – подматрицы соответственно размерностей п × т,

п × (п – т).

Представим все аддитивные воздействия на систему в виде обобщенного вектора-столбца размерности (2m + d) 1 задающих и возмущающих воздействий:

2m + d раз, из которых сформируем неособую матрицу Q аддитивных воздействий размерностью (2m + d) (2m + d) в виде

Q Z 1 Z 2 ... Z 2m d .

Тогда с учетом введенных обозначений (9.7)–(9.18) уравнение (9.6) для квазиустановившихся состояний системы

X t const, X1 t const можно переписать в виде

244

10. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СУИМ

Современные СУИМ базируются на предоставлении и использовании информации об ее функционировании (контроле координат состояния самого ИМ и ОУ, на который исполнительный механизм воздействует) на основе микропроцессорных средств автоматизации [30, 31].

В последние два десятилетия резко возросла системотехническая культура отечественных специалистов в области автоматизации технологических процессов благодаря появлению на российском рынке современной техники и технологий автоматизации. Наблюдается интенсивный переход от локальной автоматизации к построению интегрированных, полнофункциональных многоуровневых и распределенных (децентрализованных) систем управления.

Поскольку управляющие решения в таких системах принимает сам ИМ и его система управления, а не контроллер верхнего уровня, временной цикл выполнения управляющих функций (защита СУИМ, управление движением, регулирование, позиционирование и т.п.) существенно сокращается, повышается точность управления. Некоторые функции, например релейно-импульсное сдергивание задвижки при ее открытии или импульсный дожим при ее закрытии, вообще проблематично выполнить с помощью контроллера верхнего уровня из-за их высокой динамики.

Живучесть систем, построенных на базе интеллектуальных механизмов, повышается в соответствии с одним из системных законов: чем меньше функциональная централизация системы, тем выше ее живучесть.

Как правило, интеллектуальными средствами управления наделяют ЭИМ. Среди российских компаний интеллектуализацией ЭИМ плодотворно в течение многих лет занимается ОАО «ЗЭиМ»,

ООО «Элконт» (г. Чебоксары), ОАО «МЗТА» (г. Москва), ЗАО «Тулаэлектропривод» (г. Тула) и др. Среди зарубежных компаний,

246

зарекомендовавших себя как устойчивые партнеры на российском рынке, можно отметить такие, как Siemens, Sauter, Danfoss, Belimo, Schneider Electric и др. Что их объединяет, так это то, что СУИМ этих производителей имеют в своем составе микропроцессорный контроллер и иные программно-технические средства для осуще-

ствления так называемых интеллектуальных функций.

КинтеллектуальнымфункциямСУИМ относят следующие:

–дистанционное управление ЭИМ сигналами 0–10 В, 0–1 В, 0–20 мА, 4–20 мА;

–передача информации о текущем положении клапана или иного рабочего (регулирующего) органа;

–электронная диагностика и блокировка ЭИМ в случае аварийных ситуаций ИМ – механических перегрузок, включая заклинивание механических элементов;

–интеграция СУИМ в информационные сети АСУТП с полноценным доступом как в части управления ЭИМ, так и в части получения выходной информации о его состоянии и др.

10.1. Функциональная структура интеллектуальной СУИМ

Логическим развитием функциональных структур АСУТП

внаправлении их децентрализации является интеллектуализация самого нижнего уровня систем – датчиков, ИМ и, как следствие, СУИМ.

На рис. 10.1 приведена обобщенная функциональная схема интеллектуальной СУИМ, характерная для многих централизованных и децентрализованных АСУТП. Рассмотрим состав и функции интеллектуальных СУИМ, разрабатываемых одним из ведущих

вданной области на российском рынке предприятий ОАО «ЗЭиМ». Обозначения на схеме:

ВП – встроенный пульт; ПП – портативный пульт;

ПК – персональный компьютер; КВУ – контроллер верхнего уровня;

КИМ – контроллер исполнительного механизма;

247

УСО – устройство связи с объектом; ПБР – пускатель бесконтактный реверсивный; ЭД – электродвигатель; ИМ – исполнительный механизм; РО – рабочий орган;

БСПМ – блок сигнализации положения механизма.

РО Y

Рис. 10.1. Функциональная схема интеллектуальной СУИМ

Контроллер верхнего управления уровня (КВУ) обеспечива-

ет связь с основным интеллектуальным модулем СУИМ – контроллером исполнительного механизма (КИМ) – непосредственно через аналоговые и дискретные каналы ввода-вывода с помощью устройства связи с объектом УСО (сосредоточенные системы) или с помощью его полевой сети (распределенные системы). Поскольку управление через полевую сеть имеет более низкие динамические показатели, чем через непосредственные каналы УСО, для

248

сохранения динамических свойств сетевые устройства должны иметь достаточно широкие функциональные возможности для автономного выполнения функций управления.

В состав средств интеллектуализации исполнительных механизмов помимо КИМ входят пускатели бесконтактные реверсивные интеллектуальные серии ПБР-И, блок сигнализации положения механизма БСПМ.

Пускатели бесконтактные реверсивные интеллектуаль-

ные ПБР-2И и ПБР-3И являются дальнейшим функциональным развитием пускателей ПБР-2М и ПБР-3А, выпускаемых ОАО «ЗЭиМ», обеспечивают повышение качества контроля и управления исполнительным механизмом. Пускатели ПБР-2И и ПБР-3И предназначены для бесконтактного реверсивного управления электрическими исполнительными механизмами трубопроводной арматуры соответственно с однофазным и трехфазным двигателями. Конструктивно пускатели выполнены в виде блоков с габаритами 110×100×150 мм и возможностью монтажа на DIN-рейку. Пускатели выполняют функции контроля параметров и управления исполнительным механизмом, индикации его состояния и настройки.

Блок сигнализации положения механизма (БСПМ) предна-

значен для сопряжения исполнительного механизма с устройством верхнего уровня по полевой сети с двухпроводной линией связи. Конструктивно БСПМ размещается в корпусе механизма. БСПМ совместно с КВУ и КИМ выполняет функции контроля параметров, управления и защиты исполнительного механизма, ШИМмодуляции, позиционирования, индикации его состояния, обмена данными по полевой сети с устройствами верхнего уровня управления, настройки блока.

Контроллер исполнительного механизма (КИМ) является полнофункциональным многоцелевым устройством контроля

иуправления ИМ и сопряженной с ним арматурой, интегрирующим функции всех рассмотренных выше устройств. Области применения контроллера – системы управления с централизованной

идецентрализованной архитектурой, а также автономные локаль-

249

ные системы. Подключение контроллера к средствам верхнего уровня осуществляется в зависимости от исполнения контроллера одним из двух способов – через информационные и командные каналы контроллера (непосредственное подключение) или через полевую сеть (сетевое подключение). В автономном режиме контроллер выполняет все свои функции самостоятельно или по командам оператора.

Функции контроллера определяются аппаратными ресурсами соответствующего исполнения. Полный набор функций включает контроль параметров, управление и защиту механизма и арматуры, ШИМ-модуляцию, позиционирование и регулирование, технологические защиты, индикацию значений параметров механизма, арматуры и технологических параметров, архивацию параметров, обмен данными по полевой сети с устройствами верхнего уровня управления, настройку параметров контроллера. Выбор конкретного алгоритма регулирования осуществляется при настройке контроллера (ПИ, ПИД, ПДД, позиционер и т.п.).

Настройка контроллера осуществляется с помощью встроенного пульта (ВП), портативного пульта (ПП) либо от промышленного компьютера (ПК), подключаемых к сетевому порту блока. В состав параметров настройки входят все предельно допустимые значения параметров ЭИМ (ток, напряжение и температура обмоток, моменты, скорость и ускорение движения и т.п.), зависимости токов, напряжения, активной мощности и момента на валу от положения ИМ, параметры движения (зоны импульсного движения при сдергивании и дожиме, положения виртуальных концевых, путевых и моментных выключателей), параметры прикладных программ (ШИМ-модулятора, позиционера, регулятора, защит по технологическим параметрам и т.п.), параметры архивизации, параметры полевой сети (состав, сетевые номера, скорости сетей, конфигурация сетей и т.п.), а также другие параметры.

Встроенный пульт (ВП) содержит цифровой светодиодный шестиразрядный (восьмисегментный с точкой) индикатор для индикации номеров выбираемых параметров и их значений, восемь светодиодов для сигнализации режимов и состояний контроллера

250