НЕКОТОРЫЕ ПРИЧИНЫ РЕДКОГО ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕГУЛЯТОРОВ С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ Тутов И.А.

Томский политехнический университет


Номер: 4-1
Год: 2015
Страницы: 112-114
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

системы автоматического регулирования, ПИД-регулирование, системы с переменной структурой, оптимальное управление, automatic control systems, PID-loop control, variable structure systems, variable structure control, optimal control

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассматриваются допущения при синтезе систем автоматического управления, принятие которых препятствует практическому применению регуляторов. Показана причина более широкого распространения ПИД-регуляторов перед более прогрессивными оптимальными по быстродействию регуляторами на основе систем с переменной структурой.

Текст научной статьи

Индустриальная революция XVIII века создала потребность развития новых направлений науки. Одной из первых в истории техники систем автоматического регулирования (САР) был автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины, изобретённой И. И. Ползуновым в 1765 году. Следующим в истории техники автоматическим регулятором, получившим широкое распространение, был центробежный регулятор скорости вращения вала паровой машины, изобретённый Уаттом в 1784 году. Изначально эти системы воспринимались разрознено, как элементы конструкции машины. Потребовалось время на переосмысливание и выделение принципов работы систем, определение зависимостей и обособление в отдельный класс систем автоматического регулирования. Осознанное появление пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора), как самостоятельного устройства состоялось в 1910 году. Он был изобретён Элмером Сперри. Первая работа по его математическому описанию и анализу была опубликована в 1922 году Н. Ф. Минорски. Несмотря на уже вековую историю применения, данный регулятор по-прежнему является самым используемым регулятором в промышленности. «… правильно спроектированная, реализованная и налаженная САР на базе ПИД-регулирования может успешно решать 99 % существующих на предприятиях проблем непрерывного управления технологическими объектами…» [1,17-20; 2,20-23], «…около 90-95 % регуляторов, находящихся в настоящее время в эксплуатации, используют ПИД-алгоритм» [3, 66], «… ПИД-регуляторы … являются по существу единственными регуляторами, используемыми на практике в системах управления технологическими процессами» [4, 5-9]. В 2000 г. только на одном семинаре IFAC (International Federation of Automatic Control) было представлено около 90 докладов, посвященных ПИД-регуляторам и его модификациям. Причинами высокой популярности этого регулятора является простота построения, дающей ясное представление о его функционировании и промышленном использовании [3,66]. Но стоит отметить, что «… вопреки распространённому представлению, ПИД-регуляторы являются далеко не простыми в настройке» [4,5]. Несмотря на достаточно продолжительное использование регулятора, проблемы настройки и в настоящее время являются актуальными. Выходит огромное количество работ, посвященных его настройке. Например, во втором издании «Настольной книги правил настройки ПИ и ПИД регуляторов» [5] количество методов составляло 443, а в третьей редакции этих методов было уже 1731 [6]. Неудовлетворение поставленных промышленностью задач привело к появлению модификаций этого регулятора. На настоящий момент известно уже о более чем сотне таких модификаций. Следующим направлением усовершенствования регуляторов, получившим популярность в последнее десятилетие, благодаря достижениям в вычислительной технике, является построение адаптивных регуляторов на основе ПИД-регуляторов [7]. В частности, задача адаптации настроек автоматических регуляторов технологических процессов во время эксплуатации системы [8]. Эффективные решения в этом направлении в подавляющем большинстве сложны структурно и требуют вычислительных ресурсов. Возникает вопрос: «А оправданы ли усилия, по совершенствованию ПИД-регуляторов?». Очевидно, что если данный тип регуляторов был бы действительно оптимален и во всех случаях решал поставленные задачи, то не было бы такого количества модификаций и способов его настройки. Данное явление объясняется тем, что ПИД-регулятор и его модификации «…были получены чисто эвристическим путём» и что «… достаточно убедительное формальное доказательство целесообразности их применения … до сих пор получить не удалось» [8,24]. Кроме того, применимость этого класса регуляторов для управления нейтральными и неустойчивыми объектами, ограничивается системами, не превышающими второго порядка. Учёт ограничений управляющих воздействий при настройке коэффициентов регулятора, так же является трудоёмкой задачей и решается обычно с применением специализированных программных пакетов. Альтернативным и более прогрессивными системами автоматического регулирования, получившим широкое распространение в 70-ые года прошлого века, являются САР, синтезированные согласно «Теории оптимального управления». Привлекательными с практической точки зрения, благодаря простоте реализации исполнительных механизмов (преобразователей), являются системы с переменной структурой (СПС), дающие лучшие качества переходных процессов в сравнении с ПИД-регуляторами. Особенно это проявляется в системах управления нейтральными или неустойчивыми объектами. Так же СПС позволяют реализовывать системы управления известными объектами n-ого порядка, без значительных сложностей учитывать ограничения управляющих величин и переменных состояния. Однако в количественном соотношении примеры практического применения подобных систем в промышленности единичны, несмотря на факт выхода большого количества теоретических работ по этому направлению. Основной проблемой на пути к практической реализации подобных систем, являются распространённые допущения при синтезе. Этими допущениями являются: 1) игнорирование присутствия шумов и помех в измерительных цепях (сигналах обратной связи), 2) неучёт, параметрических возмущений (старение, износ, изменения в окружающей среде и т. п.), присущих реальным объектам, 3) предположение, что для измерения доступен весь вектор состояний системы, 4) предположение, что возмущение действует в одном месте (для большинства систем управления технологическими процессами это не так). В качестве примера рассмотрим классическую системы с переменной структурой - систему управления угловой ориентацией космического аппарата, обеспечивающей оптимальное быстродействие [9]. Первое допущение на практике приводит к появлению колебательности в системе, и порой провоцирует потерю устойчивости САР. Если система реализует релейный закон управления, то это приведёт к неоправданно частому переключению релейного элемента, что способствует износу и сокращает срок службы. Второе допущение спустя некоторое время эксплуатации приведёт к появлению перерегулирования и увеличению времени переходного процесса в одном случае. В другом - приведёт к появлению скользящего режима работы в системе [10]. Последний режим работы в электромеханических системах провоцирует экстремальные, неблагоприятные режимы работы исполнительных механизмов, приводящие к быстрому износу и скорому выходу САР из строя. Третье, впрочем, как и четвёртое допущение, приводит к неприменимым на практике результатам, не только при построении СПС, но и других САР, в том числе и с ПИД-регуляторами. С одной стороны установка дополнительных датчиков приводит к удорожанию системы и усложнению её обслуживания, с другой стороны - данный параметр может не поддаваться измерению. По этой же причине измерение в некоторых ситуациях производится косвенным способом, через некоторый преобразователь. Здесь следует понимать, что речь идёт не о преобразователях измерительного сигнала. Имеется в виду, например, расход жидкости-степень открытия регулирующего клапана. В такой ситуации ошибочно полагается, что по этому измерению мы можем однозначно восстановить переменную состояния, забывая про действие неизмеренных возмущений различного рода. Исторически сложилось так, что в момент формирования принципов построения систем с переменной структурой, технически сложно было реализовать механизмы адаптации, используя аналоговую элементную базу. По тем же причинам сложно, а порой и невозможно было реализовать систему управления СПС по сложному закону управления. Появление и широкое распространение вычислительной техники в настоящем времени, позволяет значительно расширить возможности функционала регуляторов и области их применения. Сейчас имеется большое количество адаптивных модификаций ПИД-регуляторов, использующих преимущества цифровой вычислительной техники перед аналоговой. В то же время неоправданно мало примеров практического использования регуляторов, синтезированных согласно принципам теории оптимального управления.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.