logo

5.6.3. Обзор коммерческих продуктов

Описание коммерческих продуктов, приведенное ниже, может показаться слишком неполным, непонятным и оставляет без ответа многие вопросы. Это связано с ограниченным количеством информации, которую предоставляют перечисленные ниже фирмы о своей продукции.

В подавляющем большинстве ПИД-регуляторов, защищенных патентами [Li], используются методы настройки, основанные на формулах, а не на правилах. Еще меньше контроллеров, применяющих нейронные сети и методы оптимизации. Однако доля патентов на контроллеры, использующие правила, в последние годы заметно увеличилась, в основном за счет регуляторов с нечеткой логикой (см. раздел "Нечеткая логика в ПИД-регуляторах"). Увеличилась также доля патентов на регуляторы с оптимизацией; все они используют градиентные методы, метод наименьших квадратов, эволюционные алгоритмы (см. раздел "Генетические алгоритмы").

Foxboro EXACTTM (760/761)

Foxboro была одной из первых компаний, представивших на рынок адаптивные ПИД-регуляторы. Первый адаптивный регулятор Foxboro EXACTTM (760/761), выпущенный в октябре 1984 г., был основан на распознавании образов; в дальнейшем было сделано множество модификаций в алгоритмах его функционирования. Эти алгоритмы легли также в основу построения распределенной системы управления Foxboro I/ATM. Контроллер EXACT MV> TM включает три функциональных блока: PIDA, FBTUNE и FFTUNE. PIDA является современным ПИД-контроллером, FBTUNE служит для настройки петлевого усиления, предварительной настройки и адаптации, FFTUNE выполняет настройку прямой связи в регуляторе (см. раздел "Принцип разомкнутого управления") и табличное управление.

Интегральный член регулятора выполнен в соответствии со структурой, показанной на рис. 5.58. Контроллер имеет последовательную структуру (5.84). В контроллере использована также структура, показанная на рис. 5.64 и специальная структура  , которая является модификацией предиктора Смита.

Адаптация в контроллере основана на распознавании образов и аналогична процедуре, которую бы выполнял опытный пользователь. Применены также эвристические правила настройки (см. раздел "Ручная настройка, основанная на правилах"). Качество настройки контролируется по двум параметрам: перерегулирование и коэффициент затухания.

Контроллер имеет следующий набор параметров:

Если пользователь не может задать перечисленные параметры, то запускается программа предварительной настройки, которая приближенно может определить эти параметры в ручном режиме (с участием пользователя). Для этого контроллер вырабатывает ступенчатый сигнал, который подается на вход объекта управления. По реакции на него определяются параметры модели первого порядка и параметры контроллера, которые вычисляются по методу Зиглера-Никольса (см. раздел "Выбор параметров регулятора"). После нахождения величины задержки   максимальное время ожидания вычисляется по формуле  .

Для оценки уровня шума   на вход объекта подают постоянный уровень сигнала и находят уровень шума на выходе, используя фильтр, чтобы исключить влияние низкочастотных внешних воздействий на результат измерений. Величину   определяют как размах (от минимума до максимума) выходной переменной на осциллограмме шума.

Контроллер имеет также несколько опциональных параметров, которые принимают значения "по умолчанию", если они не заданы пользователям. К ним относятся (в скобках указаны значения "по умолчанию"):

В последних моделях регуляторов Foxboro используется двойной прямоугольный импульс (рис. 5.12-в) вместо ступенчатого воздействия в ранних версиях. Наряду с моделью первого порядка с задержкой используется модель второго порядка с задержкой. Подстройка петлевого усиления выполняется по-прежнему методом распознавания образов. Используется также метод компенсации возмущений с помощью регулятора с прямой связью (см. раздел "Принцип разомкнутого управления").

ПИД-контроллеры фирмы ABB

В контроллерах ABB адаптация основана на частотной релейной идентификации (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования"). Первый адаптивный контроллер назывался ECA-40TM. Эта система также использовала метод табличного управления параметрами регулятора. Впоследствии методы адаптации дополнились непрерывной (во времени) адаптацией, адаптацией не только петлевого усиления, но и параметров прямой связи, а также методами диагностики. Перечисленные методы были воплощены в модели ECA600 TM, выпущенной в 1988 году. Эти же принципы использованы в распределенной системе управления Industrial IT System 800xA TM, которая использует еще и методы нечеткой логики и предиктивный ПИ (ППИ) регулятор.

Для идентификации используется режим релейного регулирования (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования"). Для этого сначала устанавливается желаемое рабочее значение входной переменной для объекта, затем оператор нажимает кнопку автонастройки. Регулятор сначала измеряет уровень шума, затем в контур регулирования включается реле с гистерезисом, при этом алгоритм ПИД-регулирования временно отключается. Величина гистерезиса устанавливается автоматически, на основе измеренного уровня шума на выходе объекта. Чем меньше измеренный уровень шума, тем меньше может быть амплитуда колебаний в системе в режиме релейного регулирования. Амплитуда колебаний автоматически настраивается такой величины, чтобы быть выше уровня шума. После получения колебаний с установившейся амплитудой и частотой эксперимент прерывается и по его результатам вычисляется частота колебаний и коэффициент передачи объекта на этой частоте методом гармонической линеаризации (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования").

Частотная идентификации в режиме релейного регулирования выполняется с применением реле с регулируемым гистерезисом (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования"), что позволяет задавать частоту колебаний ниже частоты  . По умолчанию колебания задаются такими, чтобы петлевое усиление контура на частоте колебаний   было равно  . Поскольку частотная идентификация дает только два параметра (частоту и коэффициент передачи), а ПИД-регулятор имеет три параметра, то используется дополнительное соотношение  .

Описанная процедура идентификации иногда дает очень большое усиление для объектов с малой задержкой. В этом случае используется ПИ-регулятор с коэффициентами, которые рассчитываются по формулам  ,  . Для объектов с большой задержкой используются формулы  ,  .

Для идентификации параметров в режиме релейного регулирования используются два узкополосных фильтра, настроенных на частоту колебаний в системе  . Один из них фильтрует сигнал на входе объекта, второй - на его выходе. Фильтры позволяют получить первую гармонику ряда Фурье, которая используется в методе гармонического баланса (см. раздел "Частотная идентификация в режиме релейного регулирования"). Эта частота предварительно находится также из эксперимента с колебаниями в релейном регуляторе, методом наименьших квадратов.

В последних версиях контроллеров ABB после идентификации в режиме релейного регулирования используется дополнительный этап идентификации по реакции объекта на входной скачок для идентификации статического коэффициента передачи.

В контроллерах ABB используется также табличное управление (см. выше), которое используется практически во всех промышленных контроллерах и других производителей. Переменные, от которых зависят коэффициенты регулятора, выбираются пользователем. Ими могут быть управляющее воздействие на объект, выходная переменная системы или внешний сигнал. В последних версиях регуляторов были существенно расширены размеры таблиц для табличного управления. Данные для ввода в таблицу находятся путем выполнения процедуры автонастройки для нужных режимов работы объекта.

Во всех контроллерах ABB, начиная с ECA400TM, используется адаптивная прямая связь от возмущений (компенсация возмущений), которая позволяет существенно улучшить качество системы регулирования.

ПИД-контроллеры Emerson

Методы адаптивного регулирования, заложенные еще в распределенной системе управления Provox TM и RS3 TM, впоследствии были перенесены и расширены в системе DeltaV TM. Система использует автонастройку, табличное управление и адаптацию. Имеется также программное обеспечение для нечеткого регулирования и систем с транспортной задержкой.

Автоматическая настройка базируется на методе релейной идентификации. Используются несколько периодов колебаний в системе. Амплитуда колебаний выбирается равной нескольким процентам от полного динамического диапазона системы. Для оценки величины транспортной задержки используется реакция на скачок. Полученные таким способом три параметра достаточны для идентификации модели первого порядка с задержкой. Для этого используются, по выбору пользователя, метод Зиглера-Никольса, регулятор с внутренней моделью (см. раздел "Регулятор с внутренней моделью") или ламбда-тьюнинг [Astrom]. Система построена таким образом, что неопытные пользователи имеют мало опций для выбора, а опытные - много. Система имеет также встроенную подсистему моделирования, которая позволяет увидеть графики процесса регулирования до того, как коэффициенты регулятора будут записаны в контроллер.

Адаптивное управление базируется на данных, полученных из процесса во время его нормальной работы, без тестовых воздействий, а также, по выбору пользователя, с тестовыми воздействиями.

ПИД-контроллеры фирмы Honeywell

Адаптация в контроллере UDC6000TM выполняется как с помощью предварительной идентификации модели, так и на основе правил. Идентификация выполняется по отклику на скачок. Величину приращения уставки относительно рабочей точки задает пользователь. Эксперимент выполняется в разомкнутом контуре. Величина задержки определяется как время от начала эксперимента до момента, когда выходная переменная достигнет некоторого малого, наперед заданного значения.

В процессе эксперимента отслеживается величина производной от выходной переменной. Если производная все время уменьшается, выбирается модель первого порядка, параметры которой идентифицируются по нескольким точкам переходной характеристики. Идентификация выполняется на интервале, равном 1/3 от постоянной времени и заканчивается до того, как процесс в системе установится. Если производная имеет максимум, выбирается модель второго порядка и идентификация выполняется на интервале времени, включающем установившееся состояние объекта.

Контроллер UDC6000TM может работать и в режиме непрерывной адаптации, которая выполняется, как только выходная переменная изменится более чем на 0,3% (эта величина может быт изменена пользователем) от заданного значения.