Adaplab project / Адаптивный регулятор ЧАР-ПИД-2S

Адаптивный ПИД-регулятор ЧАР-ПИД-2S для контроллеров Siemens

1. Назначение ЧАР-ПИД-2S

Как известно, в мире достаточно широко распространены контроллеры Siemens серии S7. Для автонастройки ПИД-регулятора существует программное обеспечение Siemens PID Self-tuner [1]. Существенным недостатком данного регулятора является требование незначительного воздействия внешнего возмущения на объект.

Требования к процессу в программе настройки Siemens PID Self-tuner:	Достоинства ЧАР-ПИД-2S:
Процесс должен иметь асимптотическую переходную характеристику со стабильным временем запаздывания. Это требование исключает процессы с осциллирующей переходной характеристикой, а также астатические процессы	Процесс может иметь устойчивую осциллирующую характеристику. Допускаются астатические процессы
Относительно небольшие значения времени запаздывания (инерционность объекта плюс транспортное запаздывание)	Время запаздывания может доходить до 50% от наибольшей постоянной времени
Малые возмущения в температурных процессах. Адекватное качество измеряемых сигналов в смысле достаточно большого коэффициента сигнал-шум	Допускаются сильные возмущения, действующие на процесс

2. Экспериментальное исследование с внешним возмущением

Модель объекта управления взята из статьи [1]. В модель объекта вносится внешнее возмущение , имеющее вид отрицательного импульса:

соответствующие графики процесса приведены ниже.

2.1. Siemens PID Self-tuner с внешним возмущением

**Рис. 4:** Эксперимент №2 с регулятором Siemens PID Self-tuner

Алгоритм PID Self-tuner не справляется с действующим на объект внешним возмущением, система после настройки неустойчива и появляются автоколебания, обусловленные физическими ограничениями на вход и выход объекта (ЦАП и АЦП).

2.2. ЧАР-ПИД-2S с внешним возмущением

Алгоритм ЧАР-ПИД-2S при действующем на объект таком же возмущении f(t) успешно производит настройку регулятора; система после настройки устойчива. Соответствующие графики процесса:

**Рис. 5:** Эксперимент №2 с регулятором ЧАР-ПИД-2S

3. Выводы

Разработанный адаптивный регулятор ЧАР-ПИД-2S для промышленного контроллера Siemens S7-313C расширяет область применимости адаптивного регулятора в сторону увеличения допустимых внешних возмущений. Проведены испытания, подтвердившие его эффективность.

Литература

[1] Pfeiffer B.-M. Towards ‘plug and control’: self-tuning temperature controller for PLC // International Journal of Adaptive Control and Signal Processing. - 2000. - Vol. 14, no. 5. - P. 519-532.

Приложение. Алгоритм Siemens PID Self-tuner

Алгоритм автонастройки по этапам приведен на рисунке 1.

**Рис. 1:** Этапы настройки ПИД-регулятора по алгоритму PID Self-Tuner

Настройка ПИД-регулятора состоит из четырёх этапов. На первом этапе управление объектом производится в ручном режиме (часто, например для тепловых процессов, объект находится в ''холодном`` состоянии).

На этапе 2 настройки, в течение которого обратная связь остаётся разомкнутой, на вход объекта поступает фиксированное значение управления. Программа автонастройки постоянно наблюдает значение выхода объекта y(t) и ищет точку перегиба ( $y_{пер}$ , $t_{пер}$ , $\dot y_{пер}$ ), то есть момент, когда переходная характеристика достигает максимальной крутизны.

Экспериментальное исследование без внешнего возмущения

Программа регулятора разрабатывается в фирменной интегрированной среде Siemens TIA Portal, позволяющей как писать программы для нижнего уровня, так и реализовывать панели оператора для верхнего уровня (SCADA). Основная часть программы -- подпрограмма прерывания, в которой выполняются все основные вычислительные действия.

Поскольку вычислительные формулы простые, нет необходимости разбивать программу на параллельные потоки.

Код программы написан на Паскале-подобном языке SCL, являющимся расширением языка ST для промышленных контроллеров стандарта IEC 1131.

Модель объекта управления взята из статьи [1]: $W_p(s) = \frac{3}{(200s+1)(30s+1)}.$

Эксперименты проводятся в отсутствие внешнего возмущения.

Siemens PID Self-tuner без внешнего возмущения

**Рис. 2:** Эксперимент №1 с регулятором Siemens PID Self-tuner

Система после настройки устойчива.

ЧАР-ПИД-2S без внешнего возмущения

**Рис. 3:** Эксперимент №1 с регулятором ЧАР-ПИД-2S

Настройка проходит успешно, система после настройки устойчива.