Идентификация системы регулирования

[alexkazakov]

А, вот и сами переходные процессы при автоматическом регулировании:

1. Охлаждение со 100 до 30°C
2. Прогрев с 30 до 100°C
3. Охлаждение со 100 до 45°C

При регулировании на 45°C хороши видны колебания, но необходимо ответить, что их размер не превышает 1K, т.е. они в пределах некритичной нормы

[Бондарев Михаил]

Если бы предприятие хотело закупить уже готовые регуляторы,

Не обязательно делать это в железе, можно и в программе два ПИДа увязать.

Точка отбора масла находится в емкости... А, вот с термоизоляцией никто не хочет заниматься...

Ну на жизнеспособность этого способа термоизоляция не сильно повлияет, может точность чуть пониже будет и расход эл.энергии повыше.
Ваша помпа через ваш нагреватель за 3 минуты всю эту емкость дважды прогонит и нагреет на 13 градусов. Вполне достаточно на мой взгляд.
Насколько холодным (горячим) масло возвращается с установки?
Что бы не заморачиваться со шкалами мощностей ( по охлаждающей воде и теплообменнику, думаю, нет большой определенности сегодня +12 , завтра +25 температура), предлагаю вариант, когда два регулятора работают в параллель, переключение происходит при переходе температуры в емкости через уставку. При этом, после переключения регуляторы замораживаются ( что бы И-часть в космос не улетела).

По поводу цифири:

Не это ли вы подразумевали под динамикой и статикой?

Примерно это. На каком расходе вы запускали нагреватель, он же кипятит вам масло, снизьте мощность, повысьте расход , ваш график должен быть, как для охлаждения, только зеркально вверх.

А, что мне это даст?

А то что в сферическом вакууме динамика процесса зависит от факторов которые я уже приводил.
Поставьте 75% расход и мощность 20%, график будет отличаться радикально. На вашем, собственно переходный процесс и не началься толком)

По поводу регуляторов:

Меня интересовал вопрос, о том, знаете ли вы, какие алгоритмы заложены в них? Feed forward это класс так называемых предиктивных регуляторов?

Знаю, там в мануалах с картинками все есть)). Да, там простейшие предиктивные регуляторы с моделью объекта ( как раз под вашу идентификацию).Зачем это надо. Например, когда внезапно(!) повышается расход, регулятор температруры не будет ждать понижения температуры за нагревателем, а начнет раскочегариваться заранее.

[Бондарев Михаил]

45°C хороши видны колебания

Я вам про это и говорю, статические и динамические характеристики ваших нагревателя/охладителя на разных температурах отличаются довольно сильно. И что бы знать что с ними делать, нужно их знать численно. Можно будет попробовать динамически пересчитывать параметры регуляторов в зависимости от текущей температурной зоны

[alexkazakov]

Михаил, спасибо за разъяснения.
Правда, часть ваших идей, я пока не смог понять...

предлагаю вариант, когда два регулятора работают в параллель, переключение происходит при переходе температуры в емкости через уставку. При этом, после переключения регуляторы замораживаются ( что бы И-часть в космос не улетела).

Работают в параллель, это когда они одновременно и независимо друг от друга? Или наоборот, поочередно (судя по дальнейшему объяснению...)?
Если последнее, то может тогда есть смысл создать в LabVIEW простой контроллер с тремя состояниями
1. Если ошибка больше нуля - греем
2. Если ошибка равна нулю - ничего не делаем
3. Если ошибка меньше нуля - охлаждаем
Или делаем главным ПИД регулятор нагрева и если он ушел в отрицательную зону установки мощности, то включаем охлаждение?
Какой вариант лучше? Или оба не оптимальны?

Переключение при переходе температуры в емкости? Но дело в том, что непосредственно в самой емкости нет никакого датчика температуры...
Один датчик стоит сразу же после нагревателя (по идеи самая высокая точка температуры в системе), второй стоит перед образцом... По моим наблюдениям перепад температур между датчиками (0.2 - 1°C)

Как осуществлять замораживание И-составляющей? Я в том смысле, не нужно ли при переключении ее обнулять? или все же приостанавливать ее сложение?


Сейчас ПИД регулятор работает по ПИ закону, то есть Д компонента не используется... Я так до сих пор и не понял, а нужна ли она вообще, или от нее только будут лишь одни проблемы, если ее ввести в эксплуатацию?

[Barsik]

Сталкивался с похожей задачей на пищевке. На пути продукта две секции теплообменника, одна греет, другая охлаждает. Если температура на входе близка к уставке, регулирует неточно. Алгоритм был, как написано в предыдущем сообщении.
Проблема была решена путем путем задания разных уставок - сначала нагрев выше конечной уставки, потом охлаждение до уставки. При большой разности температур между входом и уставкой этот алгоритм отцеплялся, и работала только одна секция теплообменника.

[Бондарев Михаил]

сначала нагрев выше конечной уставки, потом охлаждение до уставки

Этот тяни-толкай я припасал на следующий виток более углубленного изучения задачи!)

Работают в параллель, это когда они одновременно и независимо друг от друга? Или наоборот, поочередно (судя по дальнейшему объяснению...)?

По времени - да, последовательно. По структуре - регуляторы включены параллельно. Просто работают по очереди).

создать в LabVIEW простой контроллер с тремя состояниями

А с какими мощностями греть -остужать?

и если он ушел в отрицательную зону установки мощности, то включаем охлаждение?

Я там выше писал, кажется про шкалирование. Будет очень хорошо, если у вас будет мощность "холодильника" посчитана, тогда можно оставить один регулятор , с совмещенной шкалой выходного сигнала "нагрев-охлаждение"

второй стоит перед образцом

....и после холодильника, правильно?

Как осуществлять замораживание И-составляющей? Я в том смысле, не нужно ли при переключении ее обнулять? или все же приостанавливать ее сложение?

Обнулять ее нельзя. И-часть - это выход вашего регулятора при переходе через 0.
Погуглите "безударное переключение регулятора" или "bumpless switch"
Как осуществлять - зависит от того как вы считаете интеграл.

Я так до сих пор и не понял, а нужна ли она вообще

Скорее всего не нужна.

Плохо что нет датчика температуры масла в емкости. А отбор. как вы сказали ведется непосредственно из емкости.
Вам, таким образом придется обследовать саму емкость что бы определить ее тепловую инерцию. И условия теплообмена с внешней средой.
Как минимум один раз замерить скорость остывания масла в емкости и построить "мат.модель".
Либо на регулярной основе прогонять масло по кругу. Этот вариант мне нравится больше потому что:
- масло будет перемешиваться в емкости и усредняться по температуре;
- прогнав часть объема, вы будете обладать информацией об актуальной температуре и сможете запустить подогрев (в дежруном режиме);

[alexkazakov]

Спасибо за пояснения:) Стало яснее...:)

А с какими мощностями греть -остужать?

Греется или на мощности 17 кВт или на мощности 55 кВт (другой стенд), а вот с какой мощностью остужается, этого я сказать и не могу, так как мне неизвестны параметры теплообменника...

....и после холодильника, правильно?

После холодильника датчиков нет... Следовательно, температуру в емкости не определить...

Как минимум один раз замерить скорость остывания масла в емкости и построить "мат.модель".

Я бы с удовольствием пошел бы по этому пути, построив для каждого элемента мат. модели... Но руководитель настаивает на том, чтобы регулятор не был бы к ним привязан... Чтобы однажды созданный "умный" ПИД, мог бы применяться на любых стендах... (Например, на втором стенде, уже не одна емкость, а две... Емкость в емкости.. И объемный расход возможен до 400 л/мин под давлением 25bar)

Его желания, усложняют мои мыслительные процессы... Только я дойду в мыслях до какого-то понимания того, что и как нужно делать, так меня сразу приземляют...
Сегодня было сказано, чтобы уже в ноябре написал бы в LabVIEW первый умный регулятор...:)

И, все же немного не понимаю про шкалирование... Так до сих пор не осознал, как правильно снимать кривые разгона, ведь для него(шкалирования) они и нужны?

С устоявшейся температуры в системе скажем 26°C подать на ТЭН мощность 5%, сидеть и наблюдать, когда же температура перестанет расти (скажем на 100°C), как только перестанет,- завершить измерения.
С новой устоявшейся температуры (100°C) стартовать вниз через холодильник, подав на холодильник мощность 5%. Ждать новой устоявшейся температуры.
И, так проделать для всего диапазона мощностей с шагом 5-10%

Или это делается совсем не так?
А, скажем подать на ТЭН 10% мощности, через 10 минут 20%, через 20 минут - 30% и т.д. до 100%?

[Бондарев Михаил]

А, вот с термоизоляцией никто не хочет заниматься.

Я это понял, поэтому и предлагаю вам термостатировать емкость путем регулярного подоогрева.

А, что мне это даст? Имею ввиду такой шаг прохода?

Вы не видите, что ваш переходный процесс не закончен? Ваш нагреватель, как я уже говорил, кипятит масло (перегревает).
Насколько, кстати, допустим перегрев масла? Есть еще один вариант работы конутра.

[alexkazakov]

Вы не видите, что ваш переходный процесс не закончен? Ваш нагреватель, как я уже говорил, кипятит масло (перегревает).
Насколько, кстати, допустим перегрев масла? Есть еще один вариант работы конутра.

Конечно вижу, что происходит именно этот процесс, мне совсем не нужный...
Пробовал в понедельник на 5% мощности снять кривую разгона, но так и не смог дождаться постоянства температуры в системе (нагревал с 30°C на 5% мощности в течении 2 часов), конечная температура была порядка 60°C и она так и продолжала расти... Медленно, но верно... К сожалению, закончился рабочий день и эксперимент пришлось закончить безрезультатно...
В следующий понедельник попытаюсь его все же до конца довести...

Максимальная температура, - 160°C, потом срабатывает sps автоматика и отрубает стенд.. Потолок по регулируемой величине - 150°C и лучше не дожидаться когда температура через него перепрыгнет...

Регулярный подогрев емкости... Думаю, что это проблематично... У меня нет в емкости датчика температуры и ТЭН стоит в метре от емкости... А, значит есть транспортная задержка с потерей энергии до датчиков, есть доп. тепловая энергия от помпы.

Какой вариант работы контура вы хотели предложить?

[Бондарев Михаил]

сомневаюсь в значимости величины доп.энергии от помпы. Ваша помпа этот метр переплюнет за 3 секунды, что вы тень на плетень наводите.
Для условного замера температуры можете включить помпу без включения подогрева и прогнать масло через датчик темпераутры.

(нагревал с 30°C на 5% мощности в течении 2 часов)

А какая производительность насоса при этом стояла? Скорее всего за эти два часа вы уже основательно разогрели саму емкость. ПОэтому переходный процесс и не заканчивается.

Мое мнение: вам не стоит заморачиваться с учетом динамики нагревателя. В дежурном режиме просто грейте емкость постоянно, по ранее описанному алгоритму. Ваш процесс (в понедельник с 30-до 60 градусов) скорее всего устаканился бы на какой-то вепличине (условно 85 градусов),
это означает что 5% мощности нагревателя компенсируют теплопотери всей системы. Значит для поддержания в рабочем режиме нужно условно 7% (расход при этом лучше держать максимальный). Вот и вся арифметика. Эти 7% можно прикинуть на бумажке (по теплопотерям с поверхносте й агрегатов ,задавшись известной рабочей точкой 5%=85 градусов). А проще (возможно и быстрее)))) будет погонять систему и подобрать эту самую мощность. Первоначальный вывод на режим можно форсировать путем увеличения мощности нагревателя в начале цикла работы, с последующим снижением мощности до режима установившегося баланса тепловых потоков.

поясните пожалуйста еще раз, в каком состоянии и с какой периодичностью возвращается масло со стенда?

[alexkazakov]

поясните пожалуйста еще раз, в каком состоянии и с какой периодичностью возвращается масло со стенда?

Масло со стенда возвращается в емкость всегда в жидком состоянии:-)
При этом масло может быть или нагретым, если включен ТЭН и отключен теплообменник
или охлажденным, если включен теплообменник и выключен ТЭН.
А, периодичность... Так это величина объемного расхода...

В понедельник разбирался с другим стендом, снимал нагрев на 5% мощности ТЭНа, при объемном расходе 300 л/мин.
На нем очень хороший теплообменник оказался (перепад температур между датчиками на 100% охлаждения - 30 градусов, имею ввиду, что если входная температура на теплообменник 90°C, на выходе из него масло охлаждается до 60°C).

Кстати, а что вы думаете по поводу применения fuzzy pid регуляторов? (расчет коэффициентов Kp, Ki, Kd на основе fuzzy правил и подстановка их в обычный ПИД регулятор) ?

[Бондарев Михаил]

В понедельник разбирался с другим стендом, снимал нагрев на 5% мощности ТЭНа, при объемном расходе 300 л/мин.
На нем очень хороший теплообменник оказался (перепад температур между датчиками на 100% охлаждения - 30 градусов, имею ввиду, что если входная температура на теплообменник 90°C, на выходе из него масло охлаждается до 60°C).

Cнимали нагрев, но хороший теплообменник на охлаждение. Ок.

Масло со стенда возвращается в емкость всегда в жидком состоянии:-)
При этом масло может быть или нагретым, если включен ТЭН и отключен теплообменник
или охлажденным, если включен теплообменник и выключен ТЭН.

ВЫ тогда или скорректируйте схему технологическую или перефразируйте.

[alexkazakov]

Добрый день,
за прошедший месяц несколько продвинулся в своих задачах и снова у меня появляются вопросы, на которые не могу из-за недостаточного опыта самостоятельно найти ответы.

Я провел серию экспериментов по определению передаточной функции нагревательного элемента, установил параметры объекта, на основе их оптимизировал параметры ПИД регулятора. Сделал двухпозиционное регулирование для нагревателя и охладителя, чтобы они вместе и одновременно друг против друга не работали.

Идентификация была сделана на основе разомкнутой системы (open loop identification) + рекурентный МНК для оценки параметров.
Чтобы на основе этого метода записать полный переходный процесс (скачек на 5%) требуется порядка 5 часов... (T1= 6200 s; Td = 111s).

К этому времени необходимо еще добавить время выхода объекта на стабильную температуру, чтобы исключить влияние помех (скажем нагрев от помпы, влияние окружающей температуры), которое длится порядка 2-3 часов.

Все это очень долго... Если оптимизировать ПИД по такому принципу один раз, то это можно и перетерпеть, но из-за установки разных опытных образцов, это придется делать часто... И, такой способ для этого не подходит...

Не могли бы вы подсказать мне идею, каким образом, способом, методом можно уменьшить время необходимое для идентификации объекта?

Я вот сейчас смотрю в сторону перестроения снятой импульсной характеристики (импульс длительностью 15 - 20 мин) в кривую разгона. опять таки на основе open loop.

Но мне, честно говоря, этот способ не кажется идеальным...

Может есть что-нибудь еще?

[Бондарев Михаил]

попробуйте графоаналитический способ, здесь на форуме он уже проходил. Но и легко гуглится.

например вот хорошее пособие, все на пальцах и линейке: http://www.studmed.ru/parsunkin-bn-bazh ... a75f0.html

[alexkazakov]

Спасибо Михаил, за ссылку:) С этой книгой я уже знаком, именно на основе изложенных в ней методов и думал достаивать неполную кривую разгона до полной или перестраивать импульсную характеристику в кривую разгона.

Но опять таки, если достраивать кривую разгона до полной, то как минимум надо пройти измерениями до точки перегиба, а это опять таки довольно много времени...

Смотрю так же сейчас и в сторону идентификации в частотной области (правда после прочтения соответствующей литературы, так и не понял, как же определяется критическая частота тестового гармонического сигнала) , в силу зашумленности сигнала.
И, рассматриваю релейную технику предложенную Astrom... Но тут у меня есть большие сомнения, что она вообще сработает на таком медленном объекте

Взгляните на переходный процесс (скачек с точки равновесия на 5% до 10% мощности) :



А, вот так выглядит сам сигнал:

[Бондарев Михаил]

С этой книгой я уже знаком

Я у этих людей учился. Используйте смело, методики обкатаны десятилетиями.

Но опять таки, если достраивать кривую разгона до полной

Ваш первый график достраивается от руки и на раз. Точка перегиба там довольно близкА к началу координат. Распечатайте на бумаге и приложите линейку.

А вот что изображено на втором графике я не понял, если честно.

[Бондарев Михаил]

И кстати, вы скорректированнную технологическую схему покажете?

[alexkazakov]

И кстати, вы скорректированнную технологическую схему покажете?

Добрый день, Михаил.
Вам повезло с таким преподавателем, доступно объясняющим важные вещи…
К сожалению, свой университетский курс радиоавтоматики добрым словом вспомнить не могу, прошел как-то незамеченным, к сожалению…
На втором рисунке, что в моем предыдущем сообщении, представлен первый рисунок (кривая разгона) только в увеличении.
Смысл в нем тот, что данные измерений с сенсоров никаким образом не фильтруются, а поступают на ПИД в том виде, в каком и представлены на этом графике.
Возникает вопрос, а может быть нужен какой-нибудь фильтр? Или можно жить и так?

На следующих рисунках откорректированная схема стенда + оболочка из labview, каким ее видит пользователь.

[+]

[+]

Тут конечно же нужно дать пояснения, что и как работает…
Итак, как уже было ранее отмечено, в качестве основного носителя используется моторное масло, с диапазоном рабочих температур от 30 до 150°С. Масло в этом диапазоне температур находится в жидком состоянии. Выше 150°C масло никто и никогда не нагревает, иначе оно испортится.
У стенда 3 регулируемых величины: температура, расход и давление.
Регулирование по температуре осуществляется след. образом:
1. Масло из бака поступает посредством помпы на ТЭН.
2. Нагретое ТЭНом масло поступает на образец, до образца или после стоят датчики температуры, температура регулируется по одному из них.
3. Затем масло поступает на кожухотрубчатый теплообменник. Если охлаждение не требуется, то подводка холодной воды к теплообменнику не осуществляется (рег. Клапан подачи холодной воды закрыт). Если требуется охлаждение то клапан подачи холодной воды открывается и происходит процесс охлаждения масла.
4. После теплообменника масло поступает в бак.
5. Циклы с 1 по 4 повторяются.
ТЭН управляется аналоговым сигналом и регулируется по закону U^2. Т.е. уставка ТЭНа определяет его выходную мощность.
Регулирование по расходу идет по следующему алгоритму:
1. Перед запуском стенда клапана (3/2 вентиль и дроссельный вентиль) принимают исходную позицию. При этом дроссельный вентиль открывается полностью, а 3/2 где-то на 25%
2. Потом стартует помпа. Помпа управляется через частотный преобразователь. На частотный преобразователь поступает аналоговый сигнал (уставка).
3. При этом на частотный преобразователь поступает сигнал минимум 40%, тем самым задается минимальный расход для инициализации (примерно 10 л/мин)
4. Если требуется регулирование по расходу, то картина выглядит следующим образом: сначала регулируется положение 3/2 вентиля. Когда вентиль занимает позицию, подтягивается регулирование помпы (возрастает частота на преобразователе), при этом регулирование вентиля отключается, т.е. работает только помпа.

Важным является то, что позиционное регулирование вентилей осуществляется ШИМ сигналом. Если регулируется позиция вентиля в этот момент не осуществляется регулирование помпы и наоборот.

Теперь же, что же от меня требуется:

Разработать блок self-tuning‘а, который можно применить для всех регулируемых объектов (ТЭНа, помпы, вентилей, теплообменника) и который будет работать по требованию пользователя.

Сейчас я это уже сделал на разомкнутой системе для ТЭНа. Выглядит это след. образом:
Включаю ТЭН на 5% мощности, жду когда температура в системе станет стабильной, т.е. закончится переходный процесс и повышаю уставку еще на 5%, снова жду завершения переходного процесса. По кривой разгона определяю параметры ТЭНа (коеф. усиления, пост. времени и задержку). На основе идентифицированных параметров рассчитываю коэффициенты ПИД формульным методом. Все это же конечно же в автоматическом режиме.

Во всей этой истории мне не нравится длительность процесса идентификации, в целый рабочий день…

Сейчас смотрю в сторону импульсного тестирования. Т.е. на объект подается сначала скачек скажем на +3%(5+3 =8%) длительностью 15 мин, а потом скачек на -3% (5-3 = 2%) на 15 мин, а потом снова изначальную уставку 5%. По импульсному тесту длительностью ~45 мин определяю формульным методом параметры объекта.

И, я только пока еще освоил ПИД ТЭНа… на очереди расход…

Какие бы Вы могли дать рекомендации исходя из мною сегодня написанного?