Способ выработки управляющего воздействия для промышленного объекта управления
Владельцы патента RU 2450303:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области управления промышленными объектами управления (ПОУ) с изменяющимися технологическими параметрами. Технический результат заключается расширении функциональных возможностей контроллеров. Такой технический результат достигается за счет формирования управляющего воздействия из двух составляющих, одна из которых - прогнозная, пропорциональна тенденции изменения технологического параметра. По постоянной времени ПОУ находят элементарную дискретность, измеряют с выбранной дискретностью технологические изменения параметра до выполнения условия, определяют диапазон времени прогнозирования, вычисляют стандартное отклонение технологических изменений параметра и коэффициент изменчивости и по полиномиальным зависимостям находят величину времени прогнозирования и весовой коэффициент прогнозной составляющей, а затем определяют тенденцию и прогнозное значение технологического параметра, определяют разность между прогнозным и заданным значениями технологического параметра, вычисляют прогнозную составляющую и составляющую для управляющего воздействия от контроллера и формируют управляющее воздействие на исполнительный механизм путем алгебраического суммирования двух составляющих от контроллера, а после достижения времени прогнозирования процесс формирования управляющего воздействия каждый раз возобновляют. 5 ил.
Изобретение относится к области управления промышленными объектами управления с изменяющимися технологическими параметрами и предназначено для выработки управляющего воздействия с учетом прогнозной составляющей, определенной по тенденции изменения технологического параметра. Преимущественная область применения -крупные промышленные объекты и установки в нефтегазовой промышленности.
Известен способ управления динамическими объектами с приложенными к ним внешними возмущениями по заданным показателям качества путем формировании управляющего воздействия на основе результатов сравнения задающего воздействия и суммы значений измеренных переменных состояния объекта, дополненной значениями переменных, измеренных непосредственно за точками приложения возмущений [патент №2261466, кл. G05B 11/01, 2005].
Основным недостатком известного способа является то, что измерение переменных состояния объекта только за точками приложения возмущений не позволяет учесть прогнозное изменение переменных состояния объекта, а соответственно способ имеет ограниченные функциональные возможности.
Известен способ управления технологическим объектом, по которому формируют задание и измеряют регулируемый параметр технологического объекта, определяют отклонение регулируемого параметра от задания и скорость этого отклонения, а затем формируют периодически с периодом, равным сумме времени запаздывания и постоянной времени объекта, управляющее воздействие [патент №2017196, кл. G05B 11/00, 1994].
Недостатком данного способа является ограниченные функциональные возможности, т.к. управляющее воздействие формируется по отклонению регулируемого параметра от задания и по скорости отклонения, без учета прогнозной составляющей, характеризующей дальнейшее изменение технологических параметров.
Наиболее близким техническим решение является способ идентификации действующих объектов в системах управления, включающий предварительную оценку статистических ошибок прогнозирования и регулирования, нанесение пробного испытательного воздействия, фиксирование траектории изменения выходных переменных во времени с оценкой динамических характеристик исследуемых каналов регулирования [патент №2277259, кл. G05B 13/04, G05B 23/00, 2006].
Недостатки данного способа - прогнозирование траекторий рабочего управления только по модели, а также необходимость нанесения пробного испытательного воздействия, что существенно ограничивает функциональные возможности способа идентификации действующих объектов в системах управления.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей контроллера, за счет введения прогнозной составляющей при формировании управляющего воздействия для промышленного объекта управления.
Поставленный технический результат достигается путем использования контроллера, на вход которого в каждый момент времени подают сигнал рассогласования, равный разности между измеренным значением технологического параметра и заданным значением, а на выходе контроллера получают управляющее воздействие, которое подают на исполнительный механизм ПОУ, отличающейся тем, что находят элементарную дискретность в виде одной сотой от постоянной времени ПОУ, с учетом элементарной дискретности измеряют значения технологического параметра, после каждого измерения вычисляют математическое ожидание, определяют разность между математическим ожиданием и заданным значением технологического параметра до условия, при котором разность станет меньше принятого порогового значения, в момент выполнения этого условия заканчивают интервал времени измерения и путем разности между постоянной времени ПОУ и интервалом времени измерения находят диапазон времени прогнозирования, вычисляют стандартное отклонение по значениям технологического параметра, измеренным на интервале времени измерения и находят коэффициент изменчивости как отношение стандартного отклонения к полученному математическому ожиданию, находят величину времени прогнозирования, не выходящее за диапазон времени прогнозирования, а также весовой коэффициент прогнозной составляющей по полиномиальным зависимостям, а затем определяют тенденцию путем отношения математического ожидания к интервалу времени измерения, вычисляют прогнозное значение технологического параметра путем умножения величины тенденции на значение времени прогнозирования технологического параметра, определяют прогнозное отклонение как разность между прогнозным и заданным значениями технологического параметра, вычисляют прогнозную составляющую, как произведение найденного весового коэффициента прогнозной составляющей на величину прогнозного отклонения, затем вычисляют составляющую для управляющего воздействия от контроллера, как произведение весового коэффициента для управляющего воздействия от контроллера на текущее значение выходного сигнала контроллера и формируют управляющее воздействие на исполнительный механизм путем алгебраического суммирования прогнозной составляющей и составляющей для управляющего воздействия от контроллера, а после достижения времени прогнозирования процесс формирования управляющего воздействия каждый раз возобновляют.
Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана функциональная схема системы автоматического управления (САУ) технологическим параметром y(t)c учетом прогнозной составляющей; на фигуре 2 показана функциональная схема способа выработки управляющего воздействия; на фигуре 3 показан график изменения технологического параметра в виде температуры в реакторе на стадии регенерации; на фигуре 4 показана структурная модель САУ температурой в реакторе очистки хвостовых газов, реализованная в интегрированной среде VisSim; на фигуре 5 показан фрагмент имитационного моделирования работы САУ температуры в реакторе очистки хвостовых газов, включающая контроллер с ПИД-законом управления, и подачей на вход случайного сигнала с нормальным законом распределения при обычном управляющем воздействии (график 1), и управляющем воздействии с учетом прогнозной составляющей, реализованной по предложенному способу (график 2).
На фигурах 1, 2 и 4 представлены следующие блоки:
1 - задающий элемент (ЗЭ);
2 - элемент сравнения (ЭС);
3 - контроллер (К);
4 - блок определения весового коэффициента прогнозной составляющей (БВКПС). Предназначен для определение весового коэффициента прогнозной составляющей αпс, который определяют по полиномиальной зависимости:
5 - блок определения весового коэффициента для управляющего воздействия от контроллера (БВКК). Предназначен для определение весового коэффициента для управляющего воздействия от контроллера αk, который находят по выражению:
При расчете весовых коэффициентов обязательно учитывают условие равенства единице суммы весовых коэффициентов:
6 - сумматор (С);
7 - промышленный объект управления (ПОУ);
8 - датчик (Д);
9 - блок определения дискретности (ОД) измерения технологического параметра Δ. Блок предназначен для нахождения элементарной дискретности в виде одной сотой от постоянной времени ПОУ Т (Δ=0,01*Т), как достаточно малой величины и в то же время, обеспечивающей презентативность выборки измерения технологического параметра;
10 - блок измерения значений технологического параметра (ИЗТП), при котором измеряют технологический параметр с полученной элементарной дискретностью;
11 - блок определения математического ожидания (ОМО), которое вычисляют после каждого измерения технологического параметра. Рассчитывают математическое ожидание технологического параметра по выражению:
где хi(t) - измеренные значения технологического параметра;
n - количество измерений;
12 - блок проверки условия (ПУ) в виде сравнения разности между математическим ожиданием и заданным значением технологического параметра с принятым пороговым значением ε. Как только разность достигает порогового значения, то определяют интервал времени измерения ΔTи. Находят диапазон времени прогнозирования по выражению:
14 - блок определения статистических параметров (ОСП). Блок предназначен для расчета стандартного отклонения, с учетом измеренных значений технологического параметра, по выражению:
где 
- нормированное значение технологического параметра,
- нормированное значение математического ожидания.
Коэффициент изменчивости технологического параметра определяют по выражению:
15 - блок определения времени прогнозирования tпр (ОВП)
технологического параметра, которое находят по полиномиальной зависимости:
13 - блок определения тенденции (ОТ) по выражению:
16 - блок вычисления прогнозного значения (ВПЗ) технологического параметра по выражению:
17 - блок определения величины прогнозного отклонения (ОВПО) между прогнозным и заданным значениями технологического параметра
18 - блок формирования прогнозной составляющей (ФПС), как произведения найденного весового коэффициента прогнозной составляющей αпс на величину прогнозного отклонения Δxпр(t). Сигнал, эквивалентный прогнозной составляющей, определяют по выражению:
19 - блок формирования составляющей для управляющего воздействия от контроллера (ФСК), как произведения весового коэффициента для управляющего воздействия от контроллера αk на текущее значение выходного сигнала контроллера, соответствующее текущей величине технологического параметра. Сигнал, эквивалентный составляющей промышленного контроллера с ПИД-законом управления, определяют по выражению:
20 - блок формирования управляющего воздействия (ФУВ) на исполнительный механизм, как алгебраического суммирования прогнозной составляющей и составляющей для управляющего воздействия от контроллера. Сигнал, эквивалентный управляющему воздействию, определяют по выражению:
21 - исполнительный механизм (ИМ);
22 - генератор случайного сигнала (ГСС);
23 - интегральный показатель качества (ИПК).
На фигурах использованы следующие обозначения сигналов:
хзад - заданное значение технологического параметра;
y(t) - фактическое значение технологического параметра;
Δх(t) - разность между фактическим и заданным значением технологического параметра;
u(t) -управляющее воздействие от контроллера;
xос(t) - сигнал обратной связи;
x*{t) - сигнал, эквивалентный составляющей для управляющего воздействия от контроллера;
Δхпр(t) - разница между прогнозным и заданным значением технологического параметра;
xпр(t) - сигнал эквивалентный прогнозной составляющей;
x(t) - сигнал эквивалентный управляющему воздействию, с учетом двух составляющих.
Способ выработки управляющего воздействия для промышленного объекта управления реализуют следующим образом.
С помощью блока 1 устанавливают заданное значение технологического параметра хзад, которое сравнивают в блоке 2 с фактическим значением технологического параметра y(t), измеренного посредством блока 8, и преобразованное в сигнал обратной связи xoc(t). Значение разности между фактическим и заданным значениями технологического параметра Δx(t) подают на вход блока 3.
Используя известную динамическую характеристику блока 7 в виде постоянной времени Т, находят элементарную дискретность измерения в блоке 9, с помощью которой дискретизируют дальнейший процесс измерения технологического параметра. Измеряют с выбранной дискретностью значения технологического параметра x1(t), x2(t), x3(t)…xn(t) в блоке 10, для которых вычисляют математическое ожидание в блоке 11. Измерения продолжают до выполнения условия в блоке 12, определяемого сравнением разности между математическим ожиданием и заданным значением технологического параметра с принятым пороговым значением ε, например, от 1 до 5%. Находят момент, при котором разность становится равна или меньше принятого порогового значения ε, и по этому моменту определяют величину интервала времени измерения ΔТИ. С помощью разности между постоянной времени ПОУ и интервалом времени измерения находят диапазон времени прогнозирования ΔТпр=Т-ΔТИ. По измеренным значениям технологического параметра определяют стандартное отклонение в блоке 14. По значениям σх и mх, также в блоке 14, определяют коэффициент изменчивости технологического параметра ν. Далее, используют полиномиальную зависимость (8) для определения времени прогнозирования tпр в блоке 15, в пределах диапазона времени прогнозирования ΔТпр. По вычисленному коэффициенту изменчивости определяют величину времени прогнозирования технологического параметра tпр и весовой коэффициент прогнозной составляющей αПС по полиномиальной зависимости (\1) в блоке 4, а также весовой коэффициент для управляющего воздействия от контроллера в блоке 5. Затем определяют тенденцию в блоке 13 и прогнозное значение технологического параметра в блоке 16. Далее, определяют величину прогнозного отклонения в блоке 17 Δхпр, как разность между прогнозным значением и заданным значением технологического параметра Δxпр{t)=(xпр(t)-xзад) и формируют управляющее воздействие на блок 21 путем алгебраического суммирования с помощью блока 6, двух составляющих в блоке 20 x(t)=x*(t)+xпр(t), одну из которых находят как произведение найденного весового коэффициента прогнозной составляющей на величину прогнозного отклонения в блоке 18 хпр(t)=αпс·Δхпр(t), а другую в блоке 19 - также как произведение весового коэффициента для управляющего воздействия от контроллера на текущее значение выходного сигнала контроллера, соответствующее текущей величине технологического параметра 
. После достижения времени прогнозирования tпр процесс формирования управляющего воздействия каждый раз возобновляют.
Пример конкретного выполнения способа
Способ реализован для ПОУ в виде реактора очистки хвостовых газов в установке производства серы ООО «Газпром добыча Оренбург».
Реактор имеет две стадии работы:
Первая стадия - адсорбция, при которой нагретые в трубном пучке газы регенерации при температуре 120-140°С и расходом не менее 25000 м3/ч проходят в реактор.
Вторая стадия - регенерация. Регенерация катализатора включает два этапа:
- нагрев катализатора до температуры 260°С и десорбция серы с его поверхности при температуре 200-250°С;
- охлаждение катализатора.
Постоянная времени Т реактора очистки хвостовых газов известна из нормативно-технической документации установки и равна 45 минутам.
Определяют элементарную дискретность измерения Δ=0,01*45 минут с округлением до ближайшего большего целого, равного 1 минуте. С полученной элементарной дискретностью измеряют значения температуры в реакторе очистки хвостовых газов к Θ(ti),°C (фиг.6, таблица 1). По мере измерения температуры в реакторе очистки хвостовых газов рассчитывают математическое ожидание по выражению (4).
| Таблица 1 | ||||||
| ni | Дата и время | Θ(ti), °C |
|
mx(ti), °С |
|
|
| 1 | 13.01.2011 11:12 | 237,5 | 0,75 | 237,50 | 0,95 | 5,6% |
| 2 | 13.01.2011 11:13 | 234,0 | 0,68 | 235,75 | 0,94 | 4,8% |
| … | … | … | … | … | … | … |
| 14 | 13.01.2011 11:25 | 227,0 | 0,54 | 229,63 | 0,92 | 2,1% |
| 15 | 13.01.2011 11:26 | 221,0 | 0,42 | 229,05 | 0,92 | 1,8% |
| 16 | 13.01.2011 11:27 | 218,8 | 0,38 | 228,41 | 0,91 | 1,5% |
| 17 | 13.01.2011 11:28 | 202,0 | 0,04 | 226,85 | 0,91 | 0,8% |
Значение температуры в реакторе измеряют до тех пор, пока
не станет меньше принятого порогового значения ε=1%.
Значения температуры в реакторе нормируют в соответствии с выражением:
где 
- нормированное значение температуры в реакторе;
Θ(tl) - начальное значение температуры в реакторе, которое принимают равное 20°С;
Θ(tK) - конечное значение температуры в реакторе, которое принимают равным 250°С.
Значение математического ожидания также нормируют в соответствии с выражением:
где mхб - базовое значение температуры в реакторе, которое принимают равным 227°С.
Определяют интервал времени измерения ΔTИ, равный 17 минутам. Рассчитывают диапазон времени прогнозирования по выражению (5):
Δпр =45-17=28 мин (фиг.3).
Определяют стандартное отклонение в соответствии с выражением 
,
а затем вычисляют коэффициента изменчивости технологического параметра по выражению (7): 
.
По полиномиальной зависимости вида tпр=8,27+0,46·ν-0,504·ν2+0,025·ν3, с учетом вычисленного коэффициента изменчивости ν=0,46, находят значение времени прогнозирования tпр, которое составляет 8,4 минуты, в пределах диапазона времени прогнозирования ΔТпр=28 минут;
По полиномиальной зависимости вида αпс=0,4-0,073·ν-0,006·ν2+0,0001·ν3, с учетом вычисленного коэффициента изменчивости ν=0,46, находят весовой коэффициент прогнозной составляющей αпс=0,37.
Определяют весовой коэффициент для управляющего воздействия от контроллера по выражению (2) αК=0,63.
Вычисляют тенденцию по выражению (9) 
, а затем определяют прогнозное значение технологического параметра по выражению (10):
xпр(t)=k*·tпр=13,35·25,4=339,09°С.
Затем определяют прогнозное отклонение по выражению (11)
Δхпр=хпр(t)-хзад=339,09-225=114,09°С.
Формируют управляющее воздействие x(t) на исполнительный механизм ПОУ в соответствии с выражением (14), как алгебраическую сумму двух составляющих:
x*(0=301C; xпр(t)=43°C; x(t)=344°С.
С помощью модели системы автоматического управления (САУ) температуры в реакторе при очистке хвостовых газов от сернистых соединений, при подаче на вход случайного сигнала от генератора с нормальным законом распределения (фиг.4, блок 22) с заданными значениями математического ожидания равного 0,91 и стандартного отклонения равного 0,43, реализованная в интегрированной среде визуального моделирования (VisSim) получены временные графики, приведенные на фиг.5. Для управления использован контроллер с ПИД законом регулирования, а для оценки качества управления - нормированный квадратичный интегральный критерий J, также реализованный в интегрированной среде VisSim (фиг.4, блок 23).
Полученные в результате моделирования два временных графика изменения температуры в реакторе (фиг.5): 1 - изменение температуры при работе САУ с выработкой управляющего воздействия ПИД-контроллером без прогнозной составляющей. Значение нормированного квадратичного интегрального критерия составило J1=0,84; 2 - изменение температуры при работе САУ с выработкой управляющего воздействия по двум составляющим, одна из которых от ПИД-контроллера с соответствующим весовым коэффициентом αК=0,63, а вторая - прогнозной составляющей также со своим весовым коэффициентом αпс=0,37. Значение нормированного квадратичного интегрального критерия составило J1=0,57. Отклонение установившегося значения температуры в реакторе очистки хвостовых газов от заданного хзад=225°С для кривой 1 составляет 23°С, а для кривой 2 составляет 12°С (таблица 2).
| Таблица 2 | |||
| Показатели | Управляющее воздействие | Улучшилось на, % | |
| обычное | с прогнозной составляющей | ||
| Качество управления (J2) по квадратичному интегральному критерию | 0,84 | 0,57 | 32 |
| Максимальное отклонение от заданного (225°С) значения | 23°С | 12°С | 47,7 |
Следовательно, использование контроллера с прогнозной составляющей для САУ температуры позволяет повысить качество управления на 32% и снизить отклонение установившего значения температуры в реакторе очистки хвостовых газов от заданного на 47,7%.
Кроме того, снизился расход технологического газа на подогрев в среднем на 12,6%, а энергосбережение для всей установки составило 13,1%. В результате достигнуто повышение эффективности функционирования автоматизированной установки на 11,3%.
Таким образом, реализация предложенного способа управления ПОУ позволяет повысить качество управления, снизить максимальные отклонения технологических параметров от заданных значений, а также в значительной степени снизить ресурсные затраты, что приводит к существенному повышению эффективности функционирования промышленных объектов управления в нефтегазовой промышленности.
Способ выработки управляющего воздействия для промышленного объекта управления (ПОУ) путем использования контроллера, на вход которого в каждый момент времени подают сигнал рассогласования, равный разности между измеренным значением технологического параметра и заданным значением, а на выходе контроллера получают управляющее воздействие, которое подают на исполнительный механизм ПОУ, отличающийся тем, что находят элементарную дискретность в виде одной сотой от постоянной времени ПОУ, с учетом элементарной дискретности измеряют значения технологического параметра, после каждого измерения вычисляют математическое ожидание, определяют разность между математическим ожиданием и заданным значением технологического параметра до условия, при котором разность станет меньше принятого порогового значения, в момент выполнения этого условия заканчивают интервал времени измерения и путем разности между постоянной времени ПОУ и интервалом времени измерения, находят диапазон времени прогнозирования, вычисляют стандартное отклонение по значениям технологического параметра, измеренным на интервале времени измерения, и находят коэффициент изменчивости как отношение стандартного отклонения к полученному математическому ожиданию, находят величину времени прогнозирования, не выходящую за диапазон времени прогнозирования, а также весовой коэффициент прогнозной составляющей по полиномиальным зависимостям, а затем определяют тенденцию путем отношения математического ожидания к интервалу времени измерения, вычисляют прогнозное значение технологического параметра путем умножения величины тенденции на значение времени прогнозирования технологического параметра, определяют прогнозное отклонение как разность между прогнозным и заданным значениями технологического параметра, вычисляют прогнозную составляющую как произведение найденного весового коэффициента прогнозной составляющей на величину прогнозного отклонения, затем вычисляют составляющую для управляющего воздействия от контроллера как произведение весового коэффициента для управляющего воздействия от контроллера на текущее значение выходного сигнала контроллера и формируют управляющее воздействие на исполнительный механизм путем алгебраического суммирования прогнозной составляющей и составляющей для управляющего воздействия от контроллера, а после достижения времени прогнозирования процесс формирования управляющего воздействия каждый раз возобновляют.
