Справочник инженера по АСУТП Проектирование и разработка 2008. Справочник инженера по асутп Проектирование и разработка Учебнопрактическое пособие ИнфраИнженерия
 Скачать 6.47 Mb.
|
|
Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 813 • Какое из вновь поставленного оборудования действи- тельно нуждается в математическом моделировании; • Как подтвердить, или хотя бы проверить адекватность новой модели; • Насколько быстро он может перенастроить модель; • Насколько сложно для него перестроить модель в слу- чае существенных изменений технологического про- цесса; • Насколько просто он сам, а не чудодейственные алго- ритмы, может интегрировать новые модели с сущест- вующими. 12.11. Требования к программному обеспечению усовершенствованного управления Любое программное обеспечение должно быть рассчита- но конечного потребителя. Еще лучше, если программное обеспечение создано при непосредственном участии потреби- теля. И совсем фантастический вариант - если потребитель сам обладает необходимым уровнем знаний, чтобы создать нуж- ное ему программное обеспечение. Вместе с тем, настроенное усовершенствованное управ- ление должно создаваться в расчете на минимальные требова- ния к теоретической подготовке технологического персонала. Однако тому, кто претендует на разработку алгоритмов усо- вершенствованного управления необходимо ясно осознавать, что без основательных знаний: • Теории автоматического регулирования; • Методов математического моделирования; • Численных методов; • Теории идентификации; • Теории вероятностей; • Математической статистики; • Теории стохастической аппроксимации; • Линейного и квадратичного программирования; • Теории оптимального управления, наивно рассчитывать на хотя бы минимальный успех от своих экзерсисов с пакетом АРС. 814 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Моделирование с помощью современных пакетов АРС основано на концепции "серого" ящика (в отличие от тради- ционного "черного"). Внутри серого ящика формирование мо- дели конкретного процесса производится с помощью языка блочной структуры. Это упрощает понимание и дальнейшее развитие модели. Для создания модели используется нагляд- ное графическое представление. Пакет должен иметь встроен- ные средства статистической проверки адекватности модели и определения доверительных интервалов. Должна быть воз- можность в качестве критерия качества управления использо- вать экономические показатели. Пакет усовершенствованного управления должен естественным образом встраиваться в об- щую иерархию функций контроля и управления АСУТП (рис.12.16). Optional Remote Operation/ Monitoring «I Ethernet Card Windows Exasmoc 2000 OPC Ciient Exaopc Server h i ^ w HIS/ Standard »f ENG SMOC-PC Optional (Builder) Ethernet Exasmoc Operation/ Monitoring/ Control Displays ; Station АРС ! Download Displays * »> V net / VL net T Process Data - • Exasmoc Data Puc. 12.16 Гпава 12. Усовершенствованное управление процессом 815 При настройке пакета кроме технологических данных должно использоваться все многообразие настроечных пара- метров: • Настройки регуляторов; • Весовые коэффициенты; • Допустимые границы; • Штрафные функции; • Экономические показатели; • Приоритеты и т.д. Интеграция с DCS сторонних производителей. Программ- ное обеспечение АРС должно позволять интеграцию с систе- мами управления сторонних производителей с помощью шлю- за и ОРС-сервера (рис. 12.17). АРС Displays АРС Operation Monitoring Control Optional Remote Operation/ Monitoring APC Operator Station BRC/ERC Operation DCS Monitoring Displays Control Operator тятя Station ГИп 1 Windows 2000 Exasmoc О PC Client Exaopc Server Other Vendor DCS Г Т Gateway Exasmoc Station Ethernet Ethernet - AIDA -SMOC-PC ° P t , o n a l (Builder) Download Other Vendor DCS Control Bus Process Data »• Exasmoc Data Control Stations Рис. 12,17 816 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка 12.12. Структура модели Создание модели начинается с изучения отклика техноло- гического процесса на ступенчатое или импульсное возмуще- ние по входам. Сущность этого метода точнее всего определя- ет выражение Козьмы Пруткова: "Щелкни кобылу в нос - она махнет хвостом ". Однако данные с установки никогда не бывают свободны от шума. Источники шума неистребимы - это результат не- контролируемых возмущений самого технологического про- цесса и ошибок измерения. Следовательно, модель неизбежно будет подвержена влиянию зашумленных исходных данных. Во-вторых, для многосвязных объектов невозможно смо- делировать влияние всех возмущений. Следовательно, модель должна строиться таким образом, чтобы адекватно представ- лять истинный отклик процесса и одновременно отфильтро- вывать посторонние составляющие, искажающие результат. Устано! MV Управляющие воздействия DV Контролируемые возмущения CV Модель (прогноз) 0- контролируемых J Регулируемые параметры: Прогнозирование регулируемых параметров Текущий s момент времени Рис. 12.18 Модель ошибок. На первом этапе построения модель подразделяется на две части: Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 817 • Детерминированную, и • Стохастическую, вызванную ошибками измерения и посторонними возмущениями. Детерминированная часть и будет использована в много- параметрическом упреждающем контроллере. Модель шума на рис. 12.19 состоит из неконтролируемых возмущений и ошибок измерения. Модель шума вычитается из исходных данных, чтобы освободить передаточную функ- цию от помех. A1DA Pitksbom AIDAModel Piedictions foi A0346AAL.PV С \PCTF\Tuiori ad MDvId exJ dat Futi Model Piediction Transfer Function Ail Tue Oct 93 12PM Qate & Т'тз I E F 0 3 5 0 _ A L S P C* VPCTP\T\itor» at VCD \I4 6 0 4 5 5 45 0 4 4 5 4 4 0 4 3 5 4 3 0 3PM Ddle & Tune Рис. 12Л9 Статистические средства проверки достоверности мо- дели. Для проверки статистической значимости коэффициен- тов модели могут использоваться различные статистики, на- пример критерий Фишера. На основе F-статистики можно удостовериться, что влияние некоторой переменной значи- тельно превосходит влияние другой переменной. Доверительные интервалы. Вычисляется 99% доверительный интервал для парамет- ров модели. Это дает возможность оценить, насколько могут изменяться параметры модели. Показателем степени досто- 818 Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка верности параметров служит отношение полезного сигнала к шуму. Это соотношение может быть улучшено за счет увели- чения амплитуды ступенчатых или импульсных изменений входных параметров. Другой способ уточнения параметров модели - набрать больше данных, и сделать повторную оцен- ку на большой выборке. Можно сочетать использование обоих методов. Выбор определяется тем, что более приемлемо: вне- сти существенные возмущения в процесс, или потратить большее время на повторное проведение однотипных тестов. Алгоритм отклика на конечный импульс генерирует 95% доверительный интервал для коэффициентов с одновременной оценкой самих коэффициентов. Это позволяет удостоверить- ся, что для модели найдено устойчивое решение, и на послед- них шагах коэффициенты модели практически не меняются (см. рис. 12.20). FiR Step Response FIR Step: C:\PCTP\Tutorial\ID\Id__exl.dat Input = F035G_AL SP Output = A0346AAL PV 0 9- = 08 07 -s 0 6 - I 05 - I 04 0 3 - 1 02 0 1 00 / Ух jgHlHsi'JH 1 Л \ 10 20 30 70 80 40 50 60 Time (minutes) F I R Step: C:\PCTP\Tutorial\IDMd__exl.dat Input =r FD351_AL:SP Output = A0346AAL PV 90 100 0 25 о ООО % -0 50 -0 75 с 00 ^ a -1 25 en £ -150 " F 7 ^П|||||И1|||11|||||И|| л , 11 i j I и I j ll j j I I I i I I i I i I I j ' / " • л - ^ - ч ^ Л 11111111 i 1111 10 20 30 40 50 60 70 Time (minutes) 80 90 100 Puc. 12.20 Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 819 Возможность заморозить некоторые, или все парамет- ры модели. Это дает возможность произвести поверочный расчет: проверить надежность параметров, полученных на од- ной выборке, на другом наборе данных. Кросс-корреляция. Должна существовать возможность рассчитать и вычер- тить взаимную корреляционную функцию для любых сочета- ний входных, выходных и сгенерированных переменных. Те из переменных, которые имеют более двух значимых коэффи- циентов корреляции, могут претендовать на включение в мо- дель. Естественно, эти расчеты должны сопровождаться опре- делением степени доверительности полученных значений. Однако личный опыт автора говорит о том, что надежда на определение структуры и взаимосвязей модели процесса с по- мощью исключительно статистических методов совершенно не оправданы. Слишком близки и тесны связи между всеми параметрами процесса, и проявляются они со своими времен- ными характеристиками. Поэтому создание адекватных моде- лей невозможно без математического описания детерминиро- ванных материальных, энергетических и физико-химических превращений реального технологического процесса. Исследование технологических данных, проектирование и синтез модели - это трудоемкий и долговременный процесс. К тому же доступны эти процедуры далеко не каждому. По- этому нет никакой необходимости (да и реальной возможно- сти) проводить поиск и идентификацию моделей на реальной системе управления. Программное обеспечение для поиска и создания модели должно быть автономным. В реальном вре- мени на реальной системе управления должен работать собст- венно многопараметрический предсказывающий контроллер. Таким образом, процедура формирования алгоритма усо- вершенствованного управления будет выглядеть следующим образом: 1. Автономная разработка математической модели тех- нологического процесса; 2. Конфигурирование целей управления; 3. Определение настроечных факторов; 4. Генерация контроллера; 5. Тестирование контроллера; 6. Загрузка контроллера. 820 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Возмущения. Это те переменные, которые не доступны для изменения, но влияние которых может быть некоторым образом учтено. Модель контролируемых возмущений учитывает влияние возмущений, которые могут быть идентифицированы по вы- ходным переменным процесса. Модель неконтролируемых возмущений учитывает влияние тех возмущений, которые не могут быть идентифицированы по выходным переменным процесса. К таковым моделям относятся стохастические моде- ли шума. Входные (управляющие) Выходные (контролируемые) параметры MV параметры CV Расход сырья • Выход продукта Ра сход пара * ^ Состав п родукта Концентрация примесей Температура окружающей среды Наблюдаемые возмущения DV Рис. 12.21 В отличие от сколь широко известного, столь и бесплод- ного черного ящика, внутренняя структура серого ящика (рис. 12.21) хорошо известна, и фактически повторяет структуру схемы материальных потоков и блоков реального процесса. Эта концепция позволяет производить разработку модели процесса последовательно, блок за блоком. Любой из блоков может быть модифицирован, либо разработчик вправе исполь- зовать собственный блок. Настройка модели производится с учетом всех ограничений. Корректировка параметров модели может производиться в режиме on-line с использованием фильтра Калмана. При этом корректируется так называемая наблюдаемая модель ошибок, что позволяет повысить устойчивость управления. Фильтр Калмана встраивается непосредственно в схему управления (рис. 12.22). Большим преимуществом такого под- хода является прозрачность. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 821 Достаточно настроить параметры передаточных функций, и одновременно наблюдать результат фактически по схеме технологического узла. Важным средством повышения устойчивости модели яв- ляется возможность создания промежуточных переменных. Промежуточные переменные описывают внутренние взаимо- связи между переменными состояния и управления. Кроме стандартных переменных блока - управляющая переменная, управляемая переменная, отклонение от задания и т.д. - раз- работчик имеет возможность определить новые промежуточ- ные переменные. Анализ изменения промежуточных (внут- ренних) переменных способствует раннему обнаружению от- клонений процесса по сравнению с теми выходными перемен- ными, которые доступны для измерения. Для идентификации контролируемых и неконтролируе- мых возмущений строятся самостоятельные модели. Модель контролируемых возмущений представляет собой регулятор по упреждению, который строится на учете параметров, которые доступны для измерения, но находятся за пределом зоны влияния данного контроллера. В отличие от контролируемых возмущений, которые хотя и находятся вне зоны действия контроллера, но, тем не менее, могут быть из- мерены, неконтролируемые возмущения непредсказуемы и случайны. Наличие неконтролируемых возмущений приводит к ошибке предсказания модели. Наиболее известным средст- вом моделирования случайных неконтролируемых помех яв- ляется фильтр Калмана. Рис. 12.22 822 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка 12.13. Усовершенствованное управление колонной Рис. 12.23 Первая кривая на рисунке 12.23 представляет температу- ру наверху колонны. Вторая кривая - расход флегмы на ко- лонну, и четвертая - качество (концентрация пропана) сверху колонны. Концентрация пропана - это целевой показатель, который должен поддерживаться. Соответственно, расход орошения будет определяться данной концентрацией. Темпе- ратура сверху колонны является хорошим индикатором каче- ства ключевого компонента. Однако изначально управляющее воздействие может быть сделано только после того, как произойдет изменение концен- трации. На обнаружение отклонения концентрации и возврат к заданному значению будет потрачено существенное время, в течение которого пострадает качество целевого продукта. Два пика на четвертой кривой (концентрация по верху) как раз и свидетельствуют данный переходный процесс. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 823 Рассмотрим поведение того же объекта управления, в тех же исходных обстоятельствах, но с использованием упреж- дающего контроллера (рис. 12.24). Рис. 12.24 Если температура по верху объявлена как внутренняя пе- ременная, контроллер немедленно произведет управляющие воздействия по расходу флегмы, как только обнаружит откло- нение температуры. Контролируемой переменной, естественно, остается кон- центрация ключевого компонента по верху. В результате предваряющая корректировка орошения предпринимается до того, как концентрация изменится. Более того, упреждающий контроллер "помнит", что дей- ствия по корректировке орошения уже предприняты, и не реа- гирует на проявившиеся изменения концентрации. В итоге отклонение концентрации от задания становится минималь- ным. 824 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Единственное, что остается упущенным, - это неоправ- данный проскок по расходу флегмы (вторая кривая на рис. 12.24) из-за того, что отсутствует фильтрация помех на основе модели возмущений. Очень важным элементом системы управления является жесткость, устойчивость (robustness) алгоритма управления к воздействию случайных неконтролируемых возмущений. Контроллер должен иметь способность к самообучению на основе анализа действительного уровня помех с процесса. Данная проблема решается с применением эталонной модели. Если контроллер построен без учета модели возмущений, и работает без эталонной модели, то любые изменения в про- цессе приводят к потере контроля над процессом (рис. 12.25). Рис. 12.25 Контроллер полностью вывел процесс из равновесия. Причиной такого поведения явились незначительные ошибки измерения и неконтролируемые возмущения процесса. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 825 С использованием эталонной модели выход идеального контроллера сглаживается, и процесс сохраняет устойчивость (см. рис. 12.26). I2BSS ць щт> I ш ш ш к ш з ШМВШ-кРШ^: |Meh>« J j £ Irp*. J] CMfwt< й Trortifw Fvnctww ф е^м \и< Hot {gj Motnx ! U«*»»e«r»d 8} Inputi |Й Outputs 1 Traxftf Function» ^Cor. De«o j] S*tec»»on ^ Econw»* УогюЫ*» Jjj PflVjiteM - ^jj Ce^ettwn Poitlti ^ Йог g) 0TKJ Qj SeuWiOO 1 (WM«M SOfCtMfl Ж Rrowt Рис. 12.26 В данном примере контроллер анализирует разницу меж- ду фактическим поведением объекта и предсказанным на ос- нове модели. При этом контроллер плавно делает управляю- щие воздействия, невзирая на возмущения и ошибки измере- ния. Представленные примеры наглядно демонстрируют и громадные возможности, заложенные в современные методы управления, но одновременно и опасности, которые подстере- гают при их некорректном применении. Чтобы эффективно заниматься усовершенствованным управлением, требуют- ся специалисты, хорошо знающие и понимающие и про- цесс, и математику. С сожалением остается добавить, что если сами специалисты этого не осознают, то появиться им в нынешней жизни будет неоткуда. 826 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Пока сконструированный контроллер испытывается в ав- тономном режиме, он работает в идеальных условиях: • На идеальном технологическом оборудовании, • Без влияния реальных возмущений и флуктуаций, • Без учета неопределенностей технологического про- цесса. Никакие самые значительные усилия разработчика модели не могут быть чрезмерными для того, чтобы учесть все внешние обстоятельства при работе контролле- ра в реальных условиях. Реальные данные с процесса подвержены влиянию мно- жества возмущений: • Дрейф и флуктуации измерительных устройств; • Влияние неконтролируемых возмущений, которые не- возможно моделировать (например, действие микро- примесей, отравляющих катализатор); • Пусть частичная, но неизбежная неадекватность моде- ли. Что же можно "противопоставить" реальным обстоятель- ствам? Решение этой проблемы находится в использовании ре- ального отклика с технологического процесса в качестве об- ратной связи контроллера. На практике существует множество случаев, когда изме- нение одной из переменных процесса является косвенным по- казателем изменения другой переменной. В нашем случае таким примером является связь между температурой наверху колонны и концентрацией верхнего погона. И, вообще говоря, целевым параметром управления будет именно концентрация сверху, а управляющим - расход орошения. Тогда рабочая модель должна быть разработана с учетом связи между орошением и концентрацией. Вдобавок должна быть предусмотрена связь между концентрацией и верхней температурой. Связь между температурой и орошением должна быть встроена в модель неконтролируемых возмущений. Эффект будет таков, что контроллер будет изменять расход флегмы при изменении температуры, не дожидаясь изменения концен- трации. При этом температура по верху колонны не будет ни контролируемой переменной, ни управляющей. |