книги из ГПНТБ / Баясанов, Д. Б. Автоматизированные системы управления трубопроводными объектами коммунального хозяйства

Блоки перемножения выполняются в аналоговых ма­

шинах обычно с двумя входами и одним выходом. Опера­

ция деления осуществляется здесь следующим образом.

При помощи специальных функциональных преобразовате­ лей вначале получают обратную величину:

1

Уi = —

Далее умножают величину у г на величину у 2, равную

величине х 2. Таким образом получают операцию деления

У = У 1 У 2 = л -

Очень важное значение в структурной схеме усилите­

лей, применяемых в моделирующих установках, имеет об­

ратная связь, которая обеспечивает передачу части выход­

ного напряжения на вход блока. При положительной об­ ратной связи коэффициент усиления увеличивается, но

стабильность работы блока при этом снижается. Отрица­

тельная обратная связь при некотором понижении коэф­

фициента усиления повышает стабильность работы послед­

него и исключает возможность самовозбуждения системы.

Как указывалось выше, в усилительных блоках аналого­

вых машин применяются отрицательные обратные связи.

Все машины непрерывного действия имеют свои особен­

ности, которые выявляются тем сильнее, чем сложнее ре­ шаемая задача. Несмотря на внешнюю простоту схем моде­ лирования динамических процессов в трубопроводных

системах, техническая реализация их для решения задач

управления оказывается не всегда достаточно легкой. Основной причиной является сравнительно быстрый рост машинной погрешности решения задач с увеличением числа звеньев разбиения участков трубопроводов при исполь­

зовании метода прямых. Однако существуют разработан­

ные методы, которые дают возможность правильно рассчи­

тать и реализовать вычислительный комплекс с ЭВМ не­

прерывного действия. Для'работы на этих машинах обычно не требуется специальная подготовка.

Аналоговые машины, как показала практика их долго­

летнего использования, позволяют легко и быстро построить

модель той или иной автоматизированной системы различ­

ных звеньев трубопроводов, изменять параметр, характе­

ризующий диаметр участков труб, моделировать изменен­ ную схему подключения потребителей вдоль трассы систе­

мы и т. п. Применение машин непрерывного действия оп­

2 9 0

равдано и в АСУТП АСУ трубопроводными системами ком­

мунальных хозяйств, дающих возможность оптимизации ре­

жимов работы. К примеру, в самонастраивающихся систе­ мах для построения модели того или иного звена трубопро­ водов, работающей в убыстренном темпе и позволяющей путем многократного повторения процесса найти экстре­ мум интересующего параметра для последующего поиска и переноса его на реальный объект при помощи системы уп­

равления. Нередко для реализации этих моментов прибега­

ют к некоторой модернизации серийных ЭВМ непрерывного

действия. На примере описания оптимизатора случайного

поиска для машины типа ЭМУ-10 покажем, как реализует­ ся этот процесс, обеспечивающий более эффективное ис­ пользование серийной модели в автоматизированной сис­ теме управления.

Известно, что в настоящее время широкое распростра­ нение получили оптимизаторы, работающие совместно с ЭВМ непрерывного действия. Такие комплексы можно

использовать для целей оптимизации технологических про­

цессов в АСУТ различных производств и, в частности, тру­

бопроводных. Аналоговые машины здесь целесообразней

всего использовать в случаях, когда целевая функция

неизвестна в явном виде, но может быть вычислена для

каждого значения ее аргументов решением задачи Коши

для систем обыкновенных дифференциальных уравнений. При этом выгодно использовать ЭВМ непрерывного дейст­ вия, которые позволяют осуществить многошаговый про­ цесс поиска за относительно небольшое время.

Большие возможности открываются при использовании комплексных устройств комбинированного действия, состоя­ щих из ЭЦВЛЦ осуществляющих оптимизационный про­

цесс, и аналоговой машины, имитирующей управляемый

производственный процесс. ЭЦВМ в этой системе управляет электронной моделью процесса. Это значительно облегчает настройку реальной системы АСУТП, в которой машины уже управляют реальным объектом. Однако сложность со­ пряжения аналоговых и цифровых вычислительных машин

привела к тому, что вместо ЭЦВМ в этих схемах нередко ис­

пользуют несложные по конструкции специализированные

блоки-оптимизаторы, реализация которых в устройствах

АСУТП обеспечивает весьма эффективные решения.

Для решения задач управления трубопроводными сис­ темами коммунальных хозяйств используют широко рас­ пространенную и хорошо зарекомендовавшую себя машину

291

непрерывного действия типа ЭМУ-10, которая имеет в своем составе оптимизатор на специализированной стойке, поз­ воляющий отыскивать оптимум целевой функции управле­ ния методом градиента и методом наискорейшего спуска. Метод градиента в этом блоке реализуется с помощью ав­ томатического повторения итерационного процесса. Со­

вершенно аналогично реализуется и метод наискорейшего

спуска. Математическая формулировка задачи может быть

представлена следующей зависимостью:

где X — вектор независимых переменных целевой функции; Q —

целевая функция; X — новое значение вектора независимых пере­ менных, полученных в результате очередной итерации; h — величи­ на «шаг».

К-,

Рис. 49. Кривые зависимости быстро­ действия метода градиента (кривая 1) и метода с пересчетом (кривая 2) от числа переменных

Слово «шаг» берут в этом рассуждении не случайно.

Изменяя h, меняется и величина шага перемещения в про­

странстве независимых переменных, Однако истинная ве­ личина шага пропорциональна величине вектора градиен­ та VQ. Это обстоятельство очень часто приводит к сущест­ венным затруднениям при работе с оптимизатором. Если величина градиента вблизи оптимума резко возрастает (предположим имеется пик целевой функции), то можно

легко проскочить точку оптимума и оказаться от нее даже

дальше, чем в начале решения задачи. В этом, пожалуй,

и заключается основной недостаток оптимизатора методом

градиента.

Решение задачи оптимизации по формуле X = X +

-\- h | уq | , обеспечивающей постоянство шага, независимо

от величины вектора градиента, связано с неоправданным

усложнением конструкции оптимизатора. При этом вместо

чисто линейных операций оптимизатору придется выпол­

нять сложно и с большой погрешностью реализуемые на ЭМУ-10 нелинейные операции.

9 9 2

От указанного выше недостатка свободен метод случай­ ного поиска. Использование простейшего алгоритма с пе­

ресчетом позволило сконструировать оптимизатор, который

схематически не сложнее, а, пожалуй, даже проще оптими­ затора методом градиента. На машине ЭМУ-10 конструк­

тивно получить оптимизатор несложно. Меняются схемы

блоков конденсаторов и управления. После переделки этого

блока на машине типа ЭМУ-10 может быть реализован как

метод градиента — наискорейшего спуска при работе с за­

водской вставкой элемента управления, так и метод слу­

чайного поиска при замене вставки блока управления.

К перечисленным преимуществам оптимизатора случай­

ного .поиска следует добавить большее быстродействие алго­ ритма при числе независимых переменных целевой функ­

ции, большем трех. На рис. 49 представлены кривые за­

висимости быстродействия обоих методов от числа пере­

менных.

В основу работы оптимизатора положен алгоритм слу­

чайного поиска с пересчетом, реализуемый с помощью рекур­ рентных соотношений:

Общая принципиальная схема оптимизатора случайного

поиска представлена на рис. 50. Схема работает следующим

образом. Пока на входы усилителей 1—7 не подается на­

для системы обыкновенных дифференциальных уравнений, и после останова машины на вход усилителя 8 подается значение Q(W). При этом на выходах образуется величина Q5v_i— Q(N)- Знак этой величины определяет характер

работы поляризованного реле РП.

Если шаг был удачным, то включается реле Р4; на выхо­

де усилителя 8 устанавливается 0, конденсатор С2 разряжен,

293

заряженные до величины разряжаются и после подачи

на вход усилителей 1—7 случайных величин напряжений £(лг-1 ) _ £(w+i) формируются Х (1лг+ 1)—X (iN+ 1) по формуле (4.48 а). Если шаг неудачный, реле Р 3 и Р4 не включаются и

Qn = Qn — i- При подаче на входы усилителей случайных напряжений — £(,N+1) формируется Х (Л/+ !) = X (-N) —

—-f £<w+ Р (Так как входные конденсаторы оставались

заряженными до величины т. е. новые значения неза­

висимых переменных определяют по формуле (4.48 б).

Рис. 50. Общая принципиальная схема оптимизатора случай­ ного поиска

Для начала работы оптимизатора первый шаг следует искусственно сделать удачным, что легко достигается прину­

дительным включением поляризованного реле РП, при этом

Qo = Q1. Схема реализации управления описанным выше процессом представлена на рис. 51. После останова машины (окончание решения дифференциальных уравнений и вы­ работка Q(W)) включается реле Р 2 (тумблер 7 \ включен при работе оптимизатора). При этом напряжение QW по­

дается на вход усилителя 8 и срабатывает РП.

В случае удачного шага включаются реле Р 3 и Р 4. Реле

жим «возврата» и запускает шаговый искатель, который по­

очередно подает напряжение с выхода генератора, случай­

ных чисел на вход усилителей 1—7. После этого шаговый

искатель осуществляет «пуск» основной стойки машины, а сам останавливается в исходном положении. В случае

неудачного шага выполняются те же операции, кроме вклю­

294

чения реле Р 3 и Р 4. Тумблер Т 2служит для искусственного проведения удачного шага при первой итерации.

Оптимизатор совместно с машиной типа ЭМУ-10 успеш­ но применяли в схеме решения задач оптимизации режимов

Рис. 51. Схема управления работой оптимизатора

газоснабжения; он показал преимущества метода случайного поиска и работоспособность схемы в целом.

Серийно выпускаемые промышленностью аналоговые машины непрерывного действия позволяют с достаточной

295

для инженерной практики точностью моделировать систе­ мы обыкновенных дифференциальных уравнений, которыми описываются многие объекты трубопроводов коммунальных хозяйств. Однако вход любой аналоговой машины серий­

ного производства обычно ограничен числом блоков. Для

моделирования разветвленных городских трубопроводных сетей может понадобиться одновременно несколько таких установок, не говоря уже о решении задач в АСУ многосвязевых, закольцованных трубопроводных систем с пи­

танием от нескольких источников, что, несомненно, яв­

ляется определенным препятствием для использования

ЭВМ непрерывного действия на верхних уровнях иерархии

систем управления. Выбор более целесообразных режимов

эксплуатации сложных больших трубопроводных систем

в коммунальных хозяйствах крупных городов выдвигает

на повестку дня требования разработки и реализации в ав­

томатизированных комплексах специализированных ана­ логовых устройств, призванных решать конкретные задачи управления.

Поэтому особый интерес представляет рассмотрение воз­ можностей построения специализированных электриче­ ских моделей-аналогов трубопроводных систем. Они успеш­

но и весьма эффективно моделируют участки газопроводов,

водопроводов и сетей теплоснабжения при любых конфигу­

рациях их соединения. Здесь конечно следует придерживать­

ся границ, определяющих и оправдывающих построение

таких специализированных аналоговых моделей. Может оказаться, что при наличии ЭЦВМ невыгодно строить весь­ ма сложную специализированную машину аналогового типа, призванную практически решать идентичные задачи, если учесть необходимость их использования в АСУ. Но

это вопрос особый и требует еще своего глубокого анализа.

При решении задач управления в сложных закольцо­ ванных трубопроводных сетях с ответвлениями и питанием от нескольких источников в крупных городах, звенья боль­ шой системы, связанные общностью газо-гидродинамическо­ го режима, удается моделировать независимо, соблюдая

лишь требования подобия явлений в том или другом эле­

менте аналоговой модели и реальных объектов. При этом, как показывает опыт, простота и наглядность анализа влия­

ния какого-либо из параметров на звенья и систему в целом

дают возможность решать задачи управления нестационар­

ными процессами при различных эксплуатационных ре­

жимах и различных структурных схемах системы. Однако

2 9 6

при построении специализированных электрических ана­

логовых моделей трубопроводных систем, процессы в ко­

торых обычно описываются нелинейными дифференциаль­

ными уравнениями в частных производных, возникают и серьезные затруднения. Поэтому здесь приходится исходить

из линеаризированных уравнений, допустимость примене­

ния которых должна быть установлена предварительно.

Построение специализированных электрических ана­ логовых моделей трубопроводных систем на основе лине­

аризированных исходных уравнений, несмотря на вноси­

мую погрешность, в значительной степени упрощает их

конструкцию и расширяет пределы применения в автома­

тизированных системах управления. Положив в основу

аналогию процесса движения среды (газовой, жидкостной

или смешанной) в трубах в линейном приближении распро­

странению электрического тока в длинной линии, что выте­

кает из составления соответствующих уравнений, можно

моделировать участки трубопроводов отрезками электри­ ческой длинной линии, аппроксимированными звеньями

с сосредоточенными параметрами: емкостью, индуктивно­ стью и омическим сопротивлением.

Простота монтажа схемы, возможность легко и быстро

построить модель практически любой конфигурации, в том

числе и сложной закольцованной трубопроводной сети

с питанием от нескольких (независимых) источников, из­ менять по ходу опыта настройку любого элемента модели,

характеризующего количественные и качественные пара­

метры натурного объекта, удобства осциллографической регистрации временного хода процесса и сравнительная высокая точность измерений, малые габариты модели и небольшая их стоимость, отсутствие необходимости спе­

циальной квалификации обслуживающего персонала

вот основные причины, позволяющие считать целесообраз­

ным применение и специализированных аналоговых моде­

лей, наряду с ЭВМ непрерывного действия серийного типа, при расчетах и анализе процессов в трубопроводных сетях с учетом реализации в последних АСУ. В заключение сле­ дует еще раз подчеркнуть,- что ЭВМ непрерывного действия и специализированные аналоговые модели найдут видимо

широкое применение на нижних уровнях иерархических

структур АСУ в сфере функционирования АСУТП на

уровнях объектов и предприятий управляемой большой

системы трубопроводов коммунальных хозяйств городов и

населенных пунктов.

297

§ 6. ВОПРОСЫ ДЕКОМПОЗИЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ В МНОГОУРОВНЕВЫХ СИСТЕМАХ АСУ

Построение технологических линий технических

средств в многоуровневых автоматизированных системах

управления должно быть целенаправлено. Такой системой

принято называть АСУ с рядом входов и выходов, опреде­

ляющей и выбирающей определенное значение глобаль­

ного функционала управления на основе его локальных

составляющих по различным уровням, обеспечивающего

удовлетворение заданному критерию цели. Для всякой автоматизированной системы управления должна сущест­

вовать определенная стратегия ее функционирования, ко­

торая обеспечивает наилучшие условия достижения ука­

занной цели. Выбор и обоснование критерия цели и страте­

гии достижения последнего в АСУ являются сутью синтеза

целенаправленной системы управления. Такая задача пред­

полагает прямой выбор иерархической структуры АСУ,

обеспечивающий простоту и надежность функционирования

системы. Однако следует отметить, что имеющиеся на се­

годняшний день методы синтеза пока не имеют общей фор­

мальной основы и, следовательно, менее конструктивны

и стабильны, чем методы анализа, заключающиеся в деком­ позиции — разбиении всей системы в многоуровневые слои, что уже отмечалось выше.

Рассматривая двухуровневую систему АСУ трубопро­ водными комплексами коммунальных хозяйств, специфи­ ческие свойства которой, как и для любой многоуровневой организации, заключаются в определенном влиянии верх­

него уровня на функционирование элементов нижнего,

на их стратегию действия, на параметры их входных точек, а в результате на поток информации от объектов и пред­ приятий к ГИВЦ и обратно. С информационных позиций многоуровневую систему можно рассматривать как обоб­

щение многоконтурной, так как здесь все время происходит движение информации в информационных контурах на

всех уровнях и между последними.

К примеру, технологическую линию информационных со­

общений в АСУ трубопроводных систем при двухуровневой организации можно строить в естественной последователь­

ности от объектов управления к ГИВЦ. Из источников ин­

формации по телефонным, телетайпным линиям или курьера­ ми последняя передается в пункты первичной ее обработки,

298

Прием первичных данных и контроль их достоверности осуществляется с повторными запросами, исключающими ошибки. Контроль при передаче сообщений по телефону можно вести путем записей на магнитофонную ленту, а при

наличии телетайпной связи — одновременной регистра­

цией на перфоленту. После приема проверенных и откор­

ректированных сообщений последние обычно регистрируют­

ся и подготавливаются к первичной обработке, которая

заключается в составлении специальных расчетных блан­

ков или приеме данных на перфоленту. После обработки полученные интегральные данные размножаются и пере­ даются на хранение руководству объекта управления и по каналам связи в КИВЦ. Передача информации осущест­

вляется специальной аппаратурой передачи сообщений.

На КИВЦ сообщения принимаются, контролируются и

регистрируются, фиксируясь на перфоленту. Набитые

перфоленты проходят соответствующий контроль и груп­

пируются в накопителе, откуда они вводятся в ЭЦВМ

КИВЦ, контролирующего ту или иную область, для опре­

деленной обработки по специальным или стандартным про­

граммам. В промежуточном накопителе имеются ячейки

для суточной, декадной и месячной информации, что обес­

печивает контроль состояния поступающей информации. В зависимости от объема сообщения вводятся в ЭЦВМ пу­ тем предварительного монтажа перфоленты и дублирова­

нием операций или при помощи последовательного введения перфолент. Помимо информационных сообщений от конт­ ролируемых объектов на КИВЦ используется и норматив­

но-справочная информация, хранимая обычно на магнит­

ных лентах. Также хранится и текущая информация за

прошедший период. Обработку информации на КИВЦ

можно разбить на два этапа. Сначала производится дешиф­ ровка сообщений, арифметический и логический контроль, машинная регистрация сообщений с выводом промежуточ­ ных результатов на печать. Затем эти данные оценива­

ются и решаются задачи учета, анализа и прогнозирования

производственного процесса. Окончательные результаты то­ же выводятся на печать для руководства, на магнитную

ленту и перфокарты в массивы хранения, а также на перфо­

ленту для передачи данных в ГИВЦ, где сообщения будут

приниматься и обрабатываться аналогичным образом. На

ГИВЦ будут производиться многовариантные расчеты на­ ряду с аналитической обработкой материала для решения

задач автоматизированного управления системой.

299