выходного сигнала), подается на контроллер таким образом, чтобы
уменьшить ошибку системы и довести выход системы обратно до требуемого
значения. [16]
Термин управления с обратной связью всегда предполагает
уменьшение сигнала ошибки в системе, это отличает системы с открытым
контуром и закрытым. [15]
Системы с замкнутым контуром управления имеют много преимуществ
по сравнению с системами с открытым контуром. Основным преимуществом
системы управления с обратной связью является ее способность уменьшать
чувствительность системы к внешним возмущениям, например, открытия
двери сушильной, давая системе более надежный контроль, так любые
изменения в сигнале обратной связи приведет к компенсации. [16]
Хотя замкнутая система может иметь много преимуществ по
сравнению с системой управления без обратной связи, его основным
недостатком является то, что замкнутая система должна быть более сложной.
Кроме того, если усиление регулятора слишком чувствительно к изменениям
в его входе, сигнал может стать нестабильным и начать колебаться. [19]
Дальнейшее развитие закрытых систем пошло по пути формирования
сигнала обратной связи, обеспечивающего наиболее быстрое возвращение
системы к заданному состоянию.
1.1.3 ПИД-регулирование
При автоматизации технологических процессов важную роль играет
поддержания параметра на определенном уровне. Например, таким
параметром может быть давление в емкости, причем, большее отклонение
параметра от задаваемого значения влияет на качество технологического
процесса и, как следствие, на качество производимого продукта. [17]
15
Первоначально, для регулирования параметров технологического
процесса применялись пропорциональные регуляторы. Принцип их работы
заключался в формировании сигнала ошибки, равного по величине разности
текущего измеренного значения регулируемого параметра и требуемого по
условиям технологического процесса. Сигнал ошибки применялся для
коррекции, путем воздействия на управляющий элемент, например, клапан
сброса давления в емкости. Коэффициент пропорциональной части
определяет величину управляющего воздействия и как правило должен быть
меньше единицы, иначе, корректирующее воздействие будет сильнее
изменения, что приведет к самовозбуждению регулятора. [17]
Пропорциональные регуляторы очень просты в применении и
реализации, но обладают серьезным недостатком, а именно, при сильных
изменениях регулируемого параметра, формируемое компенсационное
воздействие получается достаточно большим, что приводит к
перерегулированию. Сильное влияние на объект управления, в свою очередь,
может привезти к еще более сильному изменению регулируемого параметра
и, как следствие, волнообразному процессу регулирования. [17]
Таким образом, регулятор вместо поддержания параметра у заданного
значения, может привести к неконтролируемым изменениям. Для
исключения резких воздействий применяют пропорционально-интегральный
(ПИ) регулятор. Его особенностью является интегральная составляющая,
которая определяет плавность изменения сигнала ошибки. Благодаря этому,
ПИ регулятор не оказывает резких влияний на объект управления,
обеспечивая плавное регулирование. [17]
В пропорционально-интегрально-дифференциальном регуляторе есть
дифференциальная часть, которая позволяет предсказать и учесть возможные
изменения регулируемого параметра в будущем. Такой подход позволяет
сократить перерегулирование и сделать еще более плавным отслеживание
регулируемого параметра. [19]
16
При настройке ПИД регулятора нужно оптимальным образом
подобрать коэффициенты пропорциональной, интегральной и
дифференциальных частей. Эти коэффициенты зависят от объекта
управления и могут быть рассчитаны различными способами. Как правило,
для расчетов применяют модели объектов управления, что позволяет до
реализации системы получить оптимальный набор параметров. [19]
К сожалению, часто модель отличается от реального объекта
управления, поэтому при разработке систем регулирования важно оставлять
возможность для коррекции коэффициентов в процессе работы. Например,
при изменении типа клапана давления, имеющего другое время хода,
потребуется создавать модель заново и проводить расчет коэффициентов,
либо, изменить их значения опытным путем, основываясь на знаниях о
влиянии каждого из них. [13]
Рассмотрим, например, поведение процесса, где регулируемый
параметр сразу не реагирует на усилия ПИД-регулятора. Процесс не
двигается в направлении, в которое его толкает ПИД-регулятор. [10]
Если задержка между усилиями ПИД-регулятора и началом отклика
процесса не так уж длинны, для регулирования процесса можно использовать
обычный ПИД-регулятор, если алгоритм настроен на то, чтобы действовать
медленно и терпеливо. Но если задержка особенно велика или
технологический процесс требует меньшего времени ожидания, ПИД-
регулятор должен быть дополнен дополнительным интеллектом.
Рассмотрим другой вариант, переменная процесса реагирует более
резко на усилия контроллера, когда процесс работает почти на 100%.
Требуется гораздо менее агрессивные усилия по управлению, чтобы принять
переменную процесса от 50% до 100% по сравнению с усилиями,
необходимыми для ее от 0% до 50%. У обычного ПИД-регулятора возникли
бы проблемы с регулированием этого процесса, потому что его усилия были
17
бы слишком агрессивными, когда процесс работает вблизи максимальных
значений и слишком консервативен, с другой стороны. [9]
Классическое решение этой проблемы, не требует добавления
дополнительного интеллекта в алгоритм ПИД-регулятора, но для этого
требуется более одного ПИД-контроллера, каждый из которых активен
только тогда, когда переменная процесса попадает в определенный диапазон.
В частности, консервативный контроллер будет сконфигурирован так,
чтобы обрабатывать переменную процесса до 100%, и агрессивный
контроллер будет принимать участие, когда переменная процесса
приближается к 0%. Переменная процесса также может быть разделена на
более чем два диапазона, каждый со своим собственным ПИД-контроллером,
настроенным для учета поведения процесса в каждом диапазоне. [9]
С другой стороны, если нелинейный процесс, подобный этому
примеру, работает с его переменной процесса, ограниченной только одним
узким диапазоном, то достаточно одного традиционного ПИД-регулятора.
Другие диапазоны, в которых процесс становится более чувствительным к
усилиям контроллера или меньше, не будут иметь значения, потому что этот
процесс никогда не пойдет туда. К счастью, это довольно распространенная
ситуация в промышленных приложениях, где объектом является
поддержание переменной процесса при фиксированном заданном значении.
[9]
Бывают случаи, когда ПИД-регулятор будет излишним. Рассмотрим,
например, нагревательный элемент включения / выключения, регулирующий
температуру внутри печи. ПИД-петля была бы необходима, только если
требуется высокая точность. В противном случае термостатический
контроллер, такой как тот, который находится в большинстве домов, должен
поддерживать более или менее постоянную температуру, просто включив
нагреватель, когда температура опустится слишком низко или выключится,
когда температура слишком высока. [10]
18
С другой стороны, проблемы управления, требующие большего
интеллекта, чем ПИД-регулятор, такие как управление ограничениями, когда
контроллер должен планировать заранее, чтобы избежать выхода переменной
процесса за пределы допустимого диапазона. Для многовариантного
управления требуется расширенное планирование, в котором контроллер
должен координировать усилия нескольких исполнительных механизмов
одновременно для управления несколькими переменными процесса. [14]
ПИД-регуляторы могут быть принудительно вписаны в одно из этих
приложений, но более совершенные, специально разработанные методы
управления часто более рентабельны, по крайней мере на начальном этапе.
Но слишком часто специалист, который разрабатывает и реализует их,
перейдет к другим проектам, оставив неспециалистов поддерживать как
процесс, так и его контролер. Таким образом, если что-то пойдет не так
позже, возможно, не будет достаточного опыта для устранения проблемы.
Эта ситуация часто приводит к тому, что специализированный контроллер
заменяется ПИД-регулятором или вообще отключен, несмотря на ухудшение
производительности. [15]
1.2 Анализ технологических процессов гидроагрегата
Объектом автоматизации является гидроагрегат №2 Угличской ГЭС
филиала ОАО «РУСГИДРО». Гидроагрегат Угличской ГЭС вертикальный,
имеет генератор зонтичного исполнения с подпятником (12 сегментов),
расположенным на нижней крестовине, и одним генераторным подшипником
(12 сегментов), расположенным в центральной части верхней крестовины.
Турбина имеет рабочее колесо с 5 лопастями и 32 лопатки
направляющего аппарата, турбинный подшипник на водяной смазке,
сервомотор установлен во фланцевом соединении валов.
Частота вращения ротора – 60 об/мин.
19
Основной задачей системы управления является мгновенная
диагностика неисправности гидроагрегата, для предотвращения необратимых
последствий. Для этого рассмотрим алгоритмы поиска неисправностей.
Алгоритмы поиска идентичны для диагностики вибрации и биения, они
позволяют получить размах вибрации и величину биения в том виде как это
требуется действующими НТД.
Оцениваемый параметр для гармоник вибрации – удвоенное значение
амплитуды (размах). Удвоенные значения амплитуд (размахи) гармоник
вычисляются с помощью стандартных преобразований (возможно
использование БПФ).
Оцениваемые параметры для вибрации и биения – средний размах за
период времени 10 оборотов ротора, т.е. 10 сек. Входными параметрами для
всех сигналов являются массивы входных данных, при этом каждый
обрабатываемый алгоритмом массив входных данных относится к одному
датчику.
Интервал времени, за который берется обрабатываемый массив (массив
входных данных) составляет 10 оборотов ротора, т.е. 10 сек. Массив входных
данных обновляется с периодом, равным 10 оборотам ротора, т.е. 10 сек, с
такой же частотой рекомендуется обновлять отображение данных.
Выходными параметрами для вибрации является размах
виброперемещения и биения вала в мкм; диапазон значения 0 – 500 мкм для
вибрации, 0 – 2000 мкм для биения вала и 0-350 мкм для биения зеркальной
поверхности диска подпятника.
Рекомендуемое представление данных вибрации на АЩУ в виде числа
и линейчатой диаграммы приведено на рисунке 2.
20
Рисунок 2 - Формуляр отображения данных вибрации и биения
Для вычисления размаха принимаем:
к – номер отсчета временной реализации, к=0,1,2….., (10,0сек/dt);
dt – время дискретизации, сек , dt= 1/ f;
f- частота опроса канала измерения в Гц;
S(к)- значение параметра временной реализации (код АЦП или
физическое значение параметра) соответствующее номеру к;
Т
р
- время за один оборот Т
р
= 1,00 сек;
t - текущее время;
Рn - Размах за оборот n;
СР – средний размах за 10 оборотов;
НS - Максимум за оборот n;
LS - Минимум за оборот n;
Момент времени соответствующий к: t= dtk.
Количество значений параметра «к» за период времени 1,00 сек
составит:
KT =
Т
р
dt
(1)
21
Вычисляем на отрезках массива входных параметров S(к) от к= (n-1)
КТ до nКТ-1, где n – номер оборота n = 1,2..10 значения минимума и
максимума S(к) по к.
Размах на отрезке n: Р
n
= НS - LS, где n – номер оборота = 1,2..10;
Средний размах за 10 оборотов СР:
CP=
1
10
∑
n=1
10
Pn
(2)
где n – номер оборота = 1,2..10
Для вычисления максимального значения биения вала по данным,
получаемым с датчиков расположенных в плане под прямым углом,
принимаем:
к – номер отсчета временной реализации, к=0,1,2….., (10,0сек/dt).
dt – время дискретизации, сек , dt= 1/ f.
f- частота опроса канала измерения в Гц.
Satp(к)- значение параметра временной реализации (код АЦП или
физическое значение параметра) соответствующее номеру к датчика
расположенного со стороны нижнего бьефа. Это координата Y в фазовом
пространстве траектории движения центра вала.
Sbtp(к)- значение параметра временной реализации (код АЦП или
физическое значение параметра) соответствующее номеру к датчика
расположенного со стороны правого берега. Это координата Х в фазовом
пространстве траектории движения центра вала.
Тр- время за один оборот = 1,00 сек.
t - текущее время.
Вычисляем координаты центра вращения вала за период времени 10
сек:
CX=
1
10
dt
∑
k=0
10
dt
Sbtp(k )
(3)
22
CY =
1
10
dt
∑
k =0
10
dt
Satp(k )
(4)
Получаем отцентрованные массивы входных данных Satpс(к) и
Sbtpс(к):
Sbtpс(к)= Sbtp(к)-СХ (5)
Satpс(к) = Satp(к)-СY (6)
Вычисляем расстояние от центра вращения вала до центра вала в
каждый момент времени:
R
(
k
)
=
√
Sbtp(k )
2
+Satp ( k )
2
(7)
Вычисляем на отрезках массива параметров R(к) от к= (n-1) КТ до
nКТ-1, где n – номер оборота = 1,2..10 значения максимума R(к) по к.
Обычно определяется фаза тяжелой точки – момент времени,
соответствующий минимальному зазору между датчиком биения вала и
измеряемой поверхностью относительно сигнала от датчика фазы вращения
ротора. При этом следует удостовериться, что максимальный сигнал с
датчика биения соответствует минимальному зазору и тогда находится
максимум, в противном случае наоборот – находится минимум.
Принцип нахождения фазы пояснен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Диаграмма сигналов датчика биения и фазы ротора
23
Определяется момент времени t
1
соответствующий импульсу от
датчика фазы и момент времени t
2
соответствующий максимуму сигнала от
датчика биения.
Фаза вычисляется по формуле:
F=
2 π (t 2−t 1)
T
(8)
где F – фаза в радианах;
Т – период (для номинальных оборотов ротора равен 1 сек).
Оцениваемый параметр для формы ротора - отклонение его формы от
окружности. Исходный массив данных должен быть в виде кодов АЦП,
обеспечивающем возможность формирования на его основе массива формы
ротора, состоящего из 100 значений каждое из которых соответствует своему
полюсу.
Для идентификации номера полюса и величины соответствующего
сигнала от датчика воздушного зазора необходимо иметь данные
одновременных измерений датчика (отметчика) фазы ротора. Импульс
отметчика на временной диаграмме соответствует прохождению того
полюса, где установлен маркер. Пример временной реализации, где в
качестве датчика воздушного зазора применяется измерительный виток,
приведен на рисунке 4.
24