Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ИГНАТЕНКО ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ
ТЕХНОЛОГИЯ СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОМЕЧЕННЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ ПЕТРИ
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Белгород - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Магергут Валерий Залманович Официальные оппоненты - Зотов Игорь Валерьевич, доктор технических наук, профессор, Юго-Западный государственный университет, профессор кафедры Информационные системы и технологии - Беседин Павел Васильевич, доктор технических наук, профессор, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, заведующий кафедрой прикладной химии, профессор Ведущая организация - Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Защита состоится 18 мая 2012 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, главный корпус, ауд. 242.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.
Автореферат разослан л 17 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Уваров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Задача, решаемая в работе по созданию технологии синтеза систем управления, относится к одной из задач по перечню критических технологий Российской Федерации (технологии информационных, управляющих, навигационных систем (Указ президента РФ от 7 июля 2011г. №899)) и является весьма актуальной на сегодняшний день.
Это объясняется тем, что существующие подходы и методы проектирования цифровых систем управления, заложенные, например, в SCADA-системы, не являются эффективными во всех случаях, поскольку не являются универсальными, недостаточно визуализированы, не позволяют создавать системы логического управления (СЛУ) большой размерности, поскольку недостаточно эффективны методики для алгоритмического описания СЛУ и их программной реализации. В связи с этим на создание СЛУ требуются большие временные затраты.
Не облают универсальностью и достаточной эффективностью, в части синтеза СЛУ, и известные пять языков программирования, принятые стандартами МЭК (IEC-61131-3), в том числе в случае необходимости совместного применения как систем логического, так и аналогового управления. Решение подобных задач на одной математической базе, то есть на однородной платформе, так же весьма актуально.
Одним из наиболее прогрессивных для этого является подход, базирующийся на создании универсальной программы логического управления на основе матричного описания сетей Петри. Целесообразно продолжение работ по созданию СЛУ-технологии и её модернизации, которая позволит достичь большей универсальности и наглядности, чем используемые существующие языки логического программирования и существующие подходы. Современная аппаратная платформа позволяет создавать системы управления, как малыми объектами, так и их комплексами за счёт динамического изменения размерности матриц, а так же существенно продвинуться по визуализации технологии СЛУ, по дополнению технологии аналоговыми алгоритмами (на базе разработанных информационных сетей Петри) и сокращению времени проектирования.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методики создания технологии программных систем управления с применением визуальных методов задания алгоритма в виде сетей Петри двух видов: помеченных и информационных (СП-технология) и её практическое применение в промышленности строительных материалов.
Для достижения поставленной цели был сформулирован и затем решён ряд задач исследования:
1. Анализ существующих методов построения систем управления техническими и технологическими объектами на базе промышленных контроллеров и сетевых подходов.
2. Разработка математического аппарата сетей Петри, пригодного для оперирования аналоговой информацией и динамической настройки её изменения.
3. Создание образца промышленного контроллера, использующего графическое представление алгоритма управления в виде помеченных и информационных сетей Петри.
4. Разработка методики построения систем управления промышленными объектами с использованием названных выше помеченных и информационных сетей Петри.
5. Получение математической модели трубной шаровой мельницы для её использования в адаптивной системе управления с эталонной моделью этим объектом.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработан математический аппарат информационных сетей Петри (ИСП) как средство построения алгоритмов обработки аналоговой информации.
2. Предложен способ мультипроцессорной обработки алгоритма управления.
Сформулирован критерий оптимального распределения вычислений.
3. Предложен подход к переходу от моделей звеньев структурной схемы к алгоритму, записанному в виде ИСП.
4. Разработана методика СП-технологии на базе 2-х видов сетей Петри.
5. Предложен ряд алгоритмов, использующих аппарат информационных и помеченных сетей Петри для реализации адаптивных позиционных законов управления, в том числе, трубной шаровой мельницей.
Практическая значимость работы. На основании проведённых работ был разработан программно-аппаратный комплекс логического контроллера, использующий аппарат информационных и помеченных сетей Петри.
Контроллер и среда разработки были применены для разработки системы контроля освещения и управления подачей корма на птицефабрике.
Предложен ряд программ и систем управления, использующих адаптивные алгоритмы управления, для управления трубной шаровой мельницей.
Внедрение результатов исследований. Опытно-промышленные испытания комплекса логического контроллера проводились на трубной шаровой мельнице ОАО Осколцемент. Опытный образец логического контроллера использован для реализации системы автоматического управления цехом доращивания птицы на ЗАО Вейделевский бройлер.
Программно-аппаратный комплекс с использованием СП-технологии внедрён в учебный процесс на кафедре технической кибернетики БГТУ им. В.Г.
Шухова.
На защиту выносятся:
1. Аппарат информационных сетей Петри;
2. Методика построения систем автоматического управления промышленными объектами с использованием алгоритмов, представленных в виде двух сетей Петри (СП-технология);
3. Способ организации мультипроцессорной обработки алгоритма управления, представленного в виде сетей Петри.
4. Адаптивная система автоматизации трубной шаровой мельницы с эталонной моделью с использованием ИСП.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты докладывались и обсуждались на XXI Международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21) (г. Саратов, СГТУ, 2008), XXXIV международной молодежной научной конференции Гагаринские чтения (г. Москва, МАТИ, 2008), XXII Международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21) (г. Псков, ППИ, 2009), XVII Международная конференция Автоматика - 2010 (г. Харьков, ХНУРЕ, 2010), XXIV Международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-24) (г. Киев, КПИ, 2011), Международной научно-практической конференции Инновационные материалы и технологии (ХХ научные чтения) (г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011), второй Международной научно-технической конференции КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ КНиТ-2011 (г. Белгород, БеГУ, 2011).
Публикации. Основные положения работы изложены в 15 печатных работах, из которых 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ по научной специальности диссертационной работы, получены 2 патента РФ на изобретение [3, 4], получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ [5].
Работа выполнялась в рамках:
1. Проекта № 2.1.2/1183 (№2.1.2 / 10008 с 2011 года) по аналитической ведомственной целевой программе Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы) по теме: Программно-аппаратные приставки адаптивного позиционного регулирования для систем регулирования промышленных и бытовых объектов.
2. Гранта № 10107 в рамках программы У.М.Н.И.К. по теме Технология создания программных систем логического управления (СЛУ-технология) Личный вклад. Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
В работах, связанных с ИСП, написанных в соавторстве, автору принадлежит: введение нового вида сетей Петри - информационные сети Петри, рассмотрена их работа, изучены свойства. Автор провёл разработку аппаратной реализации контроллера, включающую ряд тестовых образцов модулей логического контроллера. Разработка доведена до предсерийной стадии, на которой изготовлен промышленный образец контроллера (модель и комплект конструкторской документации, необходимый для её выпуска) и рабочий вариант среды разработки PetriCAD.
В патенте [4] автором предложена электронная схема устройства, а в [3] - способ адаптации зоны нечувствительности и идентификации объекта.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теории сетей Петри (СП), дискретной математики, линейных дифференциальных уравнений и их решений, методы теории подобия, методы синтеза модулей вычислительной техники и параллельных вычислений.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 118 наименований. Работа изложена на 171 странице, в том числе содержит 61 рисунка, 10 таблиц, и приложений на 31 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна, практическая значимость и внедрение результатов работы, сформулированы положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе приведен анализ уровня автоматизации на предприятиях строительной индустрии на примере производства цемента.
Более подробно с точки зрения автоматизации рассмотрен процесс помола клинкера в трубной шаровой мельнице. Показана необходимость использования в алгоритмах управления, как дискретной, так и аналоговой информации. Рассмотрены работы, в которых приводилась дискретизация непрерывных процессов на различных уровнях (процессах, операциях, режимах) для их автоматизации посредством автоматов. Важный вклад в это внесли учёные: Богатиков В.Н., Палюх Б.В. В качестве лингвистического средства описания алгоритмов управления предложены сети Петри, в развитие которых большой вклад внесли учёные: К. Петри, Дж. Питерсон, М. Хэк, Бандман О.Л., Котов В.Е., Кафаров В.В., Перов В.Л., Юдицкий С.А. и др.
Рассмотрены основные модификации этих сетей. На основании выводов, сделанных из проведенного анализа, сформулированы задачи исследования, решение которых приводит к достижению поставленной цели.
Вторая глава посвящена разработке модификации сети Петри, позволяющей производить обработку аналоговой информации.
Информационная сеть Петри (ИСП) - это сеть, в которой, как и в графе операций (помеченной сети Петри), переходам-чёрточкам сопоставлены условия перехода от позиции к позиции ИСП, а позициям-кружкам - вычислительные (математические) операции, производимые над метками позиций. Позиции в начальный момент характеризуются исходными переменными, определяемыми массой фишки, а переходы дополнены двумя типами информационных входов (повышающий, обозначаемый кружком на конце перехода с символом л+ и понижающий, обозначаемый кружком на конце перехода с символом л-). ИСП имеет входы и выходы, обозначаемые, соответственно, крестиком, помеченным именем Ini, и стрелкой, помеченной именем Outi. Входы и выходы связаны с элементами ИСП информационными дугами. Кроме того, сеть содержит внутренние информационные дуги. Начало информационной дуги обозначается крестиком, а её конец - стрелкой. Информационная дуга может помечаться коэффициентом усиления, изменяющимся в диапазоне [0;1] и вписанным в треугольник, помещённый в разрыве дуги и направленный по направлению передачи информации по дуге. Отсутствие треугольника или пустой треугольник эквивалентны единичному коэффициенту усиления дуги.
Дуги могут начинаться только из позиций или из входа сети и заканчиваться на информационных входах переходов, на треугольниках коэффициентов усиления или на выходах сети. Если одна информационная дуга заканчивается на треугольнике коэффициента усиления второй информационной дуги, то это изменяет коэффициент усиления второй дуги таким образом, что результирующий коэффициент усиления второй дуги равен произведению исходного коэффициента на численное значение массы фишки, передаваемое первой информационной дугой. Наконец, метки в позициях сети имеют массу, которая изменяется по определенным правилам (см. ниже) в зависимости от коэффициентов усиления информационных дуг и порога срабатывания перехода. Кроме того, ИСП работает потактно (циклически), изменяя свои характеристики от такта к такту, а сам цикл заканчивается с выполнением вычислительной операции с заданной точностью. Сеть может быть замкнута, т.е. выход сети подан на один из её входов.
Таким образом ИСП, в целом, предназначена для выполнения вычислительных операций, совершаемых над величинами (это могут быть константы, переменные, циклические последовательности и т.д.), поданными на вход ИСП, а результат вычисления имеем на выходе ИСП. При этом результат получается потактно (в частном случае вычисления могут совершаться за один такт).
При выполнении вычислительных операций на выходе сети после завершения цикла присутствует нормированное в диапазоне [0;1] значение результата вычислений.
Пример графического изображения информационной сети Петри представлен на рис.1.
Рис.1. Пример информационной сети Петри.
Работа сети заключается в потактном перемещении фишки по позициям. В отличие от графа операций и традиционных сетей Петри, фишка не является неделимым элементом. Вводится, как говорилось в определении ИСП, понятие масса фишки, лежащая в диапазоне [0;1]. При графическом представлении ИСП фишка обозначается в виде числа, указываемого в позиции сети и соответствующего массе фишки. Фишка с нулевой массой эквивалентна отсутствию фишки.
Позиция в ИСП может иметь входящие и исходящие передающие дуги (как и в графе операций и традиционной сети Петри), а так же только исходящие информационные дуги.
Передающая дуга обеспечивает переход метки (или её части) от одной позиции к другой.
Информационная дуга передаёт лишь информацию о массе метки в соответствующей позиции, но переход метки по информационной дуге невозможен. Внутри сети информационная дуга может начинаться только в позиции и заканчиваться на переходе. Однако, для обмена аналоговой информацией между сетью и внешней средой принято, что информационная дуга может начинаться в точке ввода аналоговой величины (Ini - вход сети) и заканчиваться в точке вывода (Outi - выход сети). Информационная дуга может иметь более одного конца. Кроме того, для информационной дуги можно установить коэффициент усиления в диапазоне [0;1]. Коэффициент усиления дуги может быть динамически изменён. Если в треугольнике вписан коэффициент, то коэффициент усиления дуги принимается равным произведению массы фишки во входной позиции треугольника и коэффициента К самого треугольника. В частном случае, если во входной позиции треугольника масса фишки равна 0, то коэффициент дуги будет равен.
Переход является основным элементом, обеспечивающим возможность выполнения операций с аналоговыми величинами. Переход осуществляет передающую и информационную функцию. Передающая функция перехода, заключается в переносе массы фишек (полностью или частично) из позиций соединённых с переходом входящими передающими дугами в позиции связанные с переходом исходящими дугами при наличии условия срабатывания перехода. Информационная функция перехода заключается в корректировке условия срабатывания перехода в зависимости от масс фишек, информация о которых передаётся информационными дугами на понижающий и повышающий входы перехода. В отличие от сети Петри, условие срабатывания перехода можно корректировать, задавая порог его срабатывания. График функции передачи перехода изображён на рис.2.
Рис.2. Функция передачи перехода.
Из графика видно, что при превышении суммарной массой фишек входных позиций порога срабатывания перехода передаваемая масса равна избытку входной массы, т.е. разнице между массой фишек входных позиций перехода и порогом срабатывания в соответствие с выражением. (1) Количество входных передающих и информационных дуг для перехода неограниченно, а входом функции передачи является значение, Мвх = si i=1,n где n - количество передающих дуг на входе перехода, Мвх - общая (суммарная) масса фишек на входе перехода, Si - масса фишки в позиции, связанной передающей дугой с входом перехода. Переход срабатывает, если Мвх > Мср, где МсрЦ порог срабатывания перехода. В случае срабатывания перехода последовательно производятся два действия:
уменьшение массы меток в позициях, связанных передающими дугами с входом перехода и увеличение на ту же величину массы меток в позициях, связанных с переходами исходящими предающими дугами. Формально, операцию можно записать в виде:
, (2) si si = si - (1- s )- POS (1- s )- ) - Мср (si i=1,n i=1,nsi i=1,n j j i=1,n si i=1,n, (3) (1- s ) j s = s + (1- s )- POS (1- s )- ) j j j j (si i=1,n i=1,n i=1,nsi i=1,n (1- ) - Мср j s j=1,m где Si Цмасса фишки в позиции перед сработавшим переходом; n - количество позиций, связанных с входом сработавшего перехода; Sj - масса фишки в позиции после сработавшего перехода; m - количество позиций, связанных с выходом сработавшего перехода; POS(x) - нелинейная функция, удовлетворяющая условиям:
POS (x) = x, при x 0, (4) POS (x) = 0, при x < 0.
Порог срабатывания зависит от состояния информационных входов перехода. В отсутствие информационных дуг уровень срабатывания перехода ( М ) принимается равным 0. При подаче сигналов по информационным ср дугам уровень срабатывания перехода ti определяется как ti, (5) М = sx kx - sy k ср y x=1,n y =1,m где kx - коэффициент усиления информационной дуги, связывающей позицию px (c массой фишки Sx) c переходом ti с повышающим информационным входом, k - коэффициент усиления информационной дуги, y связывающей позицию py (c массой фишки Sy) с переходом ti с понижающим информационным входом.
Информация поступает в систему как сигнал по информационным дугам, идущим к соответствующим переходам, а управляющее (выходное) воздействие выдаётся системой в виде сигнала о массе фишки в позиции по исходящей из неё информационной дуге.
Введение ИСП, благодаря возможности работы с аналоговыми величинами, позволяет описать стандартные структуры, выполняющие типовые математические операции.
С помощью информационной сети реализованы такие элементарные операции как суммирование, умножение, деление, нелинейные функции типа ограничение, люфт, зона нечувствительности, а также элементарные динамические звенья: апериодическое (1-го и 2-го порядков), интегрирующее, дифференцирующее и др.
На рис.3 приведена структура реализующая функцию алгебраического сумматора. В данной структуре может быть произвольное число положительных и отрицательных входов.
Рис.3. Информационная сеть Петри, реализующая операцию суммирования.
Пример структуры, реализующей операцию интегрирования, приведен на рис. 4.
Рис.4. Информационная сеть Петри, реализующая операцию интегрирования.
В связи с тем, что масса фишек лежит в диапазоне [0;1], то для реализации, как интегрирования вверх (т.е. y(x) = xdt, при x > 0 ), так и интегрирования вниз (т.е. y(x) = xdt, при x < 0 ) было использовано две линии подачи аргумента: In1 и In2. В данном случае:
In1 = x, при x > 0, (6) In1 = 0, при x 0 ;
In2 = 0, при x 0, (7) In2 = x, при x < 0.
Аналогичным образом структура выводит информацию:
Out1 = xdt, при y(x) = xdt > 0, (8) Out1 = 0, при y(x) = xdt 0 ;
Out2 = xdt, при y(x) = xdt < 0, (9) Out2 = 0, при y(x) = xdt 0.
Интегрирование входной величины производится по времени, с интервалом дискретизации t равным времени одного такта обработки информационной сети. Это время фиксировано и может быть заранее определено.
Апериодическое звено - одна из наиболее часто встречающихся моделей объектов управления (10). Апериодическое звено может описывать динамику объекта как самостоятельно, так и в комбинации с другими динамическими моделями.
. (10) Для моделирования динамики апериодического звена можно использовать информационную сеть Петри (рис.5.а).
St а) б) Рис.5. Информационная сеть Петри, моделирующая апериодический процесс:
а - структура сети, б - реакция ИСП и апериодического звена на скачок.
Данная структура является динамической, и для обработки требует, как правило, несколько тактов. Функция, реализуемая приведённой структурой, представляет собой ступенчатую функцию, которая в точках излома повторяет экспоненциальную кривую, описываемую формулой:
t T. (11) Out1(t) = (1- e ) In1(t) Используя функции позиций и переходов (2), (3), (5) можно получить итерационную модель апериодического звена, моделируемого ИСП. Для иллюстрации её работы примем, что k = 0.02, а входной сигнал представляет собой скачок величиной In = 0.5. Тогда можно составить итерационные шаги.
1-й шаг:
;
;
;
.
2-й шаг:
;
;
;
.
3-й шаг:
;
.
Выполняя итерационные шаги далее можно получить последовательность значений S2, которая представлена на рис.5.б.
Применение информационной сети Петри позволяет разбивать алгоритм на отдельные части, причём для связи частей необходимо передавать минимальный объём информации между вычислительными платформами.
Рассматривается процесс разбиения информационной сети Петри для параллельной обработки на нескольких вычислительных блоках.
Формулируется критерий оптимального разбиения (12), обеспечивающий эффективность мультипроцессорной обработки ИСП.
n 1/(2Ti fсигн) I = d min V Mблj = const, (12) где d - число разрываемых информационных дуг, V - объём передаваемой информации, n - количество элементов (вершин) ИСП, Ti - среднее время, затрачиваемое на обработку одного элемента ИСП, fсигн - максимальная частота обрабатываемого аналогового сигнала, Мблj - суммарная масса фишек элементарного блока.
Даётся анализ эффективности ИСП как средства задания алгоритмов управления обработки аналоговой информации для промышленных контроллеров.
В третьей главе рассматривается реализация программно-апаратного комплекса логического контроллера, основанного на применении в качестве основного лингвистического средства графического представления помеченной и информационной сетей Петри.
Для расширения функциональных возможностей и сферы применения контроллера выбирается модульный принцип построения, подразумевающий построение системы управления из набора процессорных модулей и модулей ввода-вывода.
Для обеспечения возможности мультипроцессорной обработки данных рассматривается структура синхронизации данных между параллельными процессорными модулями (рис.6).
Рис.6. Информационные потоки при многопроцессорной обработке.
Описывается структура комплекса, в которую входит среда проектирования PetriCAD (рис.7), на которую получено свидетельство о гос.
регистрации программы для ЭВМ [5].
Рис.7. Основное окно приложения PetriCAD с примером визуального представления алгоритма на базе помеченной сети Петри.
Кроме того в комплекс входит ряд аппаратных модулей. Для них приводится расчёт схемы и описание алгоритма работы микропрограмм.
Испытание эффективности СП-технологии проводилось на макетах модулей: процессорный (рис.8), дискретный ввод-вывод (рис.9).
Рис.8. Фотография процессорного модуля.
Рис.9. Фотография модуля дискретного ввода-вывода.
Помимо разработанных макетов, программно-аппаратный комплекс контролера поддерживает применение модулей сторонних производителей.
Взаимодействие с такими устройствами рассматривается на примере промышленного контроллера I7188EX.
Результатом лабораторных испытаний стала разработка специализированного промышленного контроллера PetriLogic (рис.10).
Рис.10. Модуль опытно-промышленного контроллера PetriLogic.
Этот контроллер был применён при автоматизации трубной шаровой мельницы и птичника.
В четвертой главе приводятся результаты применения СП-технологии для реализации законов регулирования и систем управления.
Приводится реализация адаптивного трёхпозиционного регулятора с адаптивной средней позицией с использованием помеченной сети Петри (рис.11) и информационной сети Петри (рис. 12).
Рис.11. Вариант представления алгоритма адаптивного трёхпозиционного регулятора с адаптируемой средней позицией на базе помеченной сети Петри.
Рис.12. Алгоритм адаптивного трёхпозиционного регулятора с адаптируемой средней позицией, реализованный на базе информационной сети Петри.
Приводится описание особенностей сетей, реализованных с помощью разных модификаций сетей Петри.
Помимо структур, реализованных сетями Петри, описывающих отдельные законы управления, приводятся две системы управления технологическим процессом: управление птичником, управление подачей клинкера в трубную шаровую мельницу.
Применение СП-технологии при автоматизации птичника даёт положительный эффект за счёт реализации адаптивных алгоритмов управления объектами с большим запаздыванием (системы шнековой подачи корма). В системе управления был применён алгоритм адаптивного двухпозиционного регулирования с адаптацией зоны нечувствительности, предложенный в патенте [3]. Его применение позволило существенно сократить выбеги управляемой координаты (подача корма), что положительно сказалось на равномерности распределения корма по всей длине цеха. От проектной организации ООО СКС-Автоматика, реализующей систему автоматического управления птичником, был получен акт о внедрении системы в эксплуатацию.
Для трубной шаровой мельницы так же реализуются адаптивные алгоритмы, компенсирующие нестабильность работы питателя.
При создании системы автоматического управления трубной шаровой мельницей реализуется структура с адаптивным трёхпозиционным регулятором и эталонной моделью (рис.13). В системы управления такого типа большой вклад внесли такие учёные как Александров А.Г., Егоров А.Ф., Перов В.Л., Петров Б.Н., Солодовников В.В., Шрамко Л.С., Ядыкин И.Б. и др.
Рис.13. Структура системы управления с адаптивным трёхпозиционным регулятором и эталонной моделью.
Принцип действия системы заключается в том, что однажды настроенный контур модели буде выступать эталоном. Вследствие этого, адаптивный трёхпозиционный регулятор будет подстраивать среднюю позицию таким образом, чтобы выполнялось условие:
lim(Xм(t) - X (t)) 0 (13) t Это означает, что при изменении динамических параметров объекта управления характер процесса регулирования будет оставаться неизменным.
Для задания эталонной модели в системе управления разрабатывается модель движения материала в барабане трубной шаровой мельницы.
Для упрощения построения модели принимается, что поток материала движется в цилиндрическом барабане. Загрузка материала осуществляется с одного конца трубы, а выгрузка с другого через перфорированную перегородку. Движение потока материала осуществляется под действием силы тяжести вследствие перепада уровня (рис. 14).
Рис. 14. Схема движения потока материала.
Так как мелющие тела не покидают границ рабочей камеры, то в перемещении потока материала они не участвуют. В результате анализа движение материала в барабане делается заключение о схожести процессов перемещения измельчаемого материала в трубной шаровой мельнице и течения вязкой жидкости в желобе круглого сечения.
Для описания движения вязкой жидкости применяются уравнения в частных производных, определяющие поле скоростей жидкости на всём заданном пространстве. Решение ищется в результате приближённой линеаризации уравнений Навье-Стокса путём отбрасывания малых конвективных ускорений, что соответствует малым рейнольдсовым числам (так называемые медленные или ползучие движения).
1 p -, (14) 0 = x 1 p 0 = -, y p 2 2 - + + + = z z x2 y2 z2 .
В системе уравнений (14) - плотность жидкости, - условный коэффициент вязкости, (x, y, z) - поле скоростей, p(z) - функция распределения давления материала на дно желоба по всей его длине. Первые два уравнения следуют из направленности потока жидкости вдоль оси мельницы. Поэтому перепад уровня наблюдается только по оси z.
В результате численного решения системы уравнений было сделано заключение, что динамика движения материала в барабане мельницы может быть описана апериодическим звеном первого порядка с запаздывающим аргументом.
В качестве варианта рассматривалось управление трубной шаровой мельницей с использованием систем, построенных с использованием патентов [3, 4].
Применение разработанной системы автоматического управления позволило повысить стабильность подачи материала в трубную шаровую мельницу. От ЗАО Осколцемент получен акт опытно-промышленных испытаний системы управления трубной шаровой мельницей с использованием системы автоматического управления с эталонной моделью, реализованной по СП-технологии. Материалы этой разработки переданы в проектную организацию АНО НПА ПРОМПРОЕКТ для возможного их использования при проектировании систем автоматизации трубных шаровых мельниц. Об этом получен акт передачи результатов диссертационной работы.
Кроме того, было показана целесообразность применение программноаппаратного комплекса контроллера в учебном процессе в качестве лабораторного оборудования, о чём свидетельствует акт о внедрении результатов диссертационной работы от БГТУ им. В.Г. Шухова.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработан математический аппарат информационной сети Петри, позволяющий производить обработку аналоговой информации.
2. Предложена реализация типовых математических операций и динамических звеньев при помощи информационной сети Петри.
3. Разработан принцип мультипроцессорной обработки алгоритма, представленного в виде информационной сети Петри; сформулирован критерий оптимального разбиения сети для повышения эффективности мультипроцессорного режима работы контроллера.
4. Разработан программно-аппаратный комплекс логического контроллера, в основу которого была положена СП-технология; в комплекс входят среда проектирования и набор аппаратных модулей.
5. Разработана система управления птичником с использованием адаптивных позиционных алгоритмов управления.
6. Разработана модель движения материала в барабане трубной шаровой мельницы.
7. Разработана система автоматического управления подачей клинкера в трубную шаровую мельницу, основанная на применении системы управления с эталонной моделью и адаптивного трёхпозиционного регулятора с адаптируемой средней позицией.
8. Внедрение программно-аппаратного комплекса логического контроллера в промышленность и учебный процесс.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Игнатенко, В.А. Описание динамических процессов при помощи информационной сети Петри / В.А. Игнатенко, В.З. Магергут // Научные ведомости БеГУ. - 2011. - № 13. - С. 161-179. (из перечня ВАК) 2. Игнатенко, В.А. Информационная сеть Петри как инструмент для параллельной обработки алгоритмов управления / В.А. Игнатенко, В.З.
Магергут // Научные ведомости БеГУ. - 2011. - № 19. - С. 119-126. (из перечня ВАК) 3. Пат. 2424545 РФ, МПК7 G05B 11/16. Адаптивная приставка к двухпозиционному регулятору / Игнатенко В.А., Игнатенко О.И., Магергут В.З.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010100543/08;
заявл. 11.01.2010; опубл. 20.07.2011, Бюл. №20. - 13с.
4. Пат. 2408913 РФ, МПК7 G05B 11/18. Адаптивный трёхпозиционный регулятор / Магергут В.З., Кижук А.С., Рыбин И.А., Игнатенко В.А.;
заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010104382/07; заявл.
08.02.2010; опубл. 10.01.2011, Бюл. №1. - 8с.
5. Св. о гос. регистрации программы для ЭВМ №2011615123 PetriCAD.
Авторы: Игнатенко В.А., Магергут В.З. Заявка №2011613169 от 03.05.2011.
Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.06.2011. Правообладатель:
БГТУ им. В.Г. Шухова.
6. Игнатенко, В.А. Параллельная обработка алгоритмов управления с использованием информационных сетей Петри / В.А. Игнатенко, В.З.
Магергут // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб.
тр. XXIV Междунар. науч. Конф. / под общ. ред. В.С. Балакирева. - Киев:
КПИ, 2011. - Т. 6. - С. 73-75.
7. Рубанов В. Г. Визуальные методы программирования логических контроллеров на базе помеченных сетей Петри / В.Г. Рубанов, В.З. Магергут, А.С. Кижук, В.А. Игнатенко // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21: сб. тр. ХХI Междунар. науч. конф. / под общ. ред.
В.С. Балакирева. - Саратов, 2008. - Т.6. - С.224-226.
8. Игнатенко, В.А. Циклическое управление подвижными объектами / В.А. Игнатенко // Сборник трудов XXXIV международной молодежной научной конференции Гагаринские чтения. М.: МАТИ, 2008.ЦТ.4. - С. 76-77.
9. Кирюшина, О. И. Повышение качества позиционного регулирования для нестационарных объектов / О.И. Кирюшина, В.А. Игнатенко, В.З. Магергут // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22). Летняя Школа молодых ученых: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф./ под общ. ред. д.т.н., проф. В.С. Балакирева. - Иваново: Изд-во ИГХТУ, 2009. - Т.11. - С.149-152.
10. Игнатенко, В.А. Технология создания программных систем логического управления / В.А. Игнатенко // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф. / под общ. ред.
В.С. Балакирева. - Псков: ППИ, 2009. - Т. 9. - С. 205-207.
11. Игнатенко, В.А. Информационная сеть Петри как основа нечеткого управления объектами / В.А. Игнатенко, В.З. Магергут // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. тр. XXIII Междунар. науч.
конф. /под общ. ред. В.С. Балакирева. - Саратов: СГТУ, 2010.ЦТ. 10.Ц С. 13-17.
12. Магергут В.З. Идентификация параметров апериодического звена по характеристикам двух точек фрагмента кривой разгона / В.З. Магергут, В.А.
Игнатенко // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. Междунар.
науч.-практ. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 6 - 8.
13. Игнатенко, В.А. СЛУ-технология как основной инструмент построения систем автоматизации технологических процессов в промышленности строительных материалов / В.А. Игнатенко, В.З. Магергут // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Белгород:
Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. 1. - С. 174 - 178.
14. Игнатенко, В.А. Информационная сеть Петри как сквозной лингвистический инструмент разработки систем автоматического управления / В.А. Игнатекно, В.З. Магергут // Компьютерные науки и технологии: сб.
трудов Второй междунар. науч.-техн. конф. - Белгород, ООО ГиК, 2011. - С.
73-77.
15. Игнатенко, В.А. Информационная сеть Петри как средство построения нечетких систем управления / В.А. Игнатенко, В.З. Магергут // Автоматика - 2010: тез. докл. ХVII Междунар. конф. по автоматическому управлению. - Харьков: ХНУРЭ, 2010. - Т. 2. - С. 108-110.
Подписано в печать 16.04.12 г. Формат 60х84/16.
Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в ФГБОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям