Адаптивный ПИД-И-регулятор

Общие сведения

Проблема, которую решает регулятор

Управление динамическими объектами (процессами) управления различной физической природы (в частности, теплосетевое хозяйство, энергетика, ядерные технологии и т.п.) осуществляется промышленными контроллерами. Алгоритм управления, реализуемый этими контроллерами (которые называются регуляторами), зависит от целей управления, свойств и параметров объекта и внешних возмущений, действующих на объект. Алгоритм управления, реализуемый контроллером, программируется на языках, поддерживаемых этим контроллером (Си, ST и т.д.) и потому далее регулятор- это программный продукт для соответствующего контроллера. Основным показателем работы регулятора является величина отклонения (ошибки) выхода объекта от заданного значения, например, температура теплосети, напряжение электрогенератора. Эти ошибки приводят к потере тепла и электроэнергии. При работе объекта его свойства и параметры изменяются из-за смены режимов его работы и поэтому необходимы адаптивные (самонастраивающиеся) алгоритмы регуляторы, которые приспосабливаются (адаптируются) к изменяющимся неизвестным параметрам объекта. Для объектов с запаздыванием используют адаптивные ПИД-регуляторы. Однако при изменении режима работы объекта регулятор может начать раскачивать объект (система теряет устойчивость). В этом случае, чтобы исключить аварийную ситуацию, регулятор отключают, и начинается процесс его самонастройки на текущий режим работы объекта. Это приводит к большим ошибкам регулирования во время процесса адаптации ПИД-регулятора. Проблема, которую решает предлагаемый адаптивный ПИД-И регулятор: уменьшение ошибок регулирования при самонастройке регулятора, что приведет к уменьшение потерь тепла, электроэнергии и т. д. в процессе регулирования с целью получения заданных значений температуры, напряжения и т. п.

Суть инновации

Процесс адаптации содержит две основные операции: идентификация (определение коэффициентов) объекта и синтез регулятора. Идентификация объекта затруднена колебаниями нагрузки объекта (резкие изменения температуры окружающей теплосеть среды, изменение числа потребителей электроэнергии), которые называются внешними возмущениями. В этих условиях необходимы специальные методы, учитывающие произвольные неизвестные внешние возмущения. Предлагаемые адаптивные регуляторы основаны на новом методе идентификации (конечно-частотная идентификация). Метод использует гармонический испытательный сигнал для уменьшения влияния внешних возмущений на результат идентификации. Амплитуды и частоты этого сигнала самонастраиваются так, чтобы он мало влиял на естественный выход объекта. Повышение точности ПИД-регулятора в процессе его адаптации основано на следующем. При изменении режима работы объекта и начале его «раскачки» (потери устойчивости системы) ПИД-регулятор заменяется И-регулятором. Объект, замкнутый И-регулятором идентифицируется, синтезируется ПИД-регулятор для текущего режима работы объекта, и И-регулятор заменяется этим новым ПИД-регулятором. Здесь используется тот факт, что И-регулятор не нарушает устойчивость системы в гораздо более широком диапазоне параметров объекта по сравнению с ПИД-регулятором.

Преимущества и сравнение с конкурирующими решениями

Предлагаемый адаптивный регулятор ПИД-И превосходит существующие мировые аналоги так как он обеспечивает адаптацию к медленным изменениям коэффициентов объекта при интенсивных внешних возмущениях, а адаптивные ПИД-регуляторы, используемые в десятках типов зарубежных и отечественных промышленных контроллеров не обеспечивают адаптацию при таких внешних возмущениях. ПИД-И-регулятор содержат идентификатор, отличающийся от известных тем, что он находит (идентифицирует) коэффициенты объекта управления при неизвестных внешних возмущениях, действующих на объект. Для уменьшения влияния этих возмущений на результат идентификации используется гармонический испытательный сигнал. Амплитуды и частоты этого сигнала самонастраиваются так, чтобы он мало влиял на естественный выход объекта. Результат идентификации служит для вычисления синтезатором параметров регулятора. При изменении коэффициентов объекта процесс повторяется; при этом идентификация осуществляется без отключения регулятора. Все это вместе дает адаптивный регулятор, который существенно превосходит существующие аналоги. ПИД-И - это ПИД-регулятор нового поколения. Он обладает следующими преимуществами: а) не требует участия человека- оператора для его настройки, b) определяет момент изменения режима работы объекта и перенастраивает параметры регулятора для нового режима, c) процесс самонастройки протекает в условиях неизвестных интенсивных внешних возмущений, действующих на объект управления. Аналогом ПИД-И-регулятора может служить адаптивный ПИД- регулятор, встроенный в SCADA систему TRACE MODE. В отличие от СН-ПИД-1, этот регулятор не обеспечивает устойчивость системы управления при существенном изменении параметров объекта либо при интенсивных внешних возмущениях.

Публикации

Александров А.Г., Паленов М.В. Самонастраивающийся ПИД/И регулятор.Патент на изобретение № 2419122, Опубликовано: 20.05.2011 (скачать)
Александров А.Г., Паленов М.В. Самонастраивающийся ПИД/И регулятор.// Автоматика и телемеханика. 2011. №~10. С. 4--18. (скачать)
Александров А.Г., Паленов М.В., Резков И.Г. Адаптивный ПИД-регулятор - ЧАР-ПИД-1.// Автоматизация в промышленности. 2011. №9. С. 58--61. (скачать)
Александров А.Г., Паленов М.В., Резков И.Г. Адаптивный регулятор для процесса синтеза сверхтвердых материалов // Тезисы докладов международной научно-практической конференции "Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на Российских предприятиях", Москва. ИПУ РАН. 2011 (скачать)
Alexandrov A.G., Palenov M.V Self-tuning PID-I controller // Preprints of the 18th IFAC World Congress. Milano, Italy. 28 Aug. - 2 Sept. 2011. PP.3635--3640. (скачать)