РАЗДЕЛ 2
Модели и методы компьютерного исследования инженерно-технических объектов и их систем управления
2.1. Исследование особенностей разработки модели технического объекта.
При построении модели объекта предлагается последовательно рассмотреть различные режимы работы этого объекта. Режимы работы отличаются между собой различной степенью учета параметров объекта в модели, вводимыми упрощениями и допущениями [2]. Необходимо отметить, что в инженерно-технических объектах наибольшую роль играет наличие связей между функциональными частями объекта, в том числе, влияние системы управления на объект, взаимодействие различных уровней системы управления [6].
В литературе различают минимум два различных режима работы технического объекта - статический и динамический. В статическом режиме учитываются саморегулирующие свойства системы управления и всего объекта в целом, в динамическом режиме наибольшую роль играют возмущения по входным параметрам объекта. Модель статического режима работы предназначена для выбора допустимых границ изменения параметров объекта, выбора возможных допущений и упрощений в процессе исследования.
Обычно модели различных режимов работы инженерно-технической системы управления записываются в виде системы дифференциальных уравнений состояния [27]. Для удобства инженерных расчетов и общего понимания принципов работы системы управления модель системы управления записывается в виде структурной схемы, состоящей из соединенных между собой звеньев [66]. Звенья структурной схемы системы управления могут представлять собой либо какой-то из функциональных блоков общего технического объекта, либо соответствовать определенному уровню в иерархии системы управления.
Наибольшую сложность в синтезе системы управления и в записи ее в виде структурной схемы представляют звенья и блоки системы управления, которые соответствуют реальным функциональным блокам технического объекта, например, блокам электропривода [79]. Сложность заключается в том, что эти блоки сами по себе являются достаточно сложными, а их модели в общем случае учитывают много параметров и режимов работы этих блоков. Так, например, для электропривода, в котором используются двигатели постоянного тока, модель блоков электропривода в общем случае должна учитывать все возможные режимы работы как двигателя постоянного тока, так и блока электропривода в целом. Наличие механической части и нелинейного момента сопротивления в блоке электропривода еще более усложняет задачу синтеза и записи в виде структурной схемы общей системы управления техническим объектом.
Тем не менее, в определенных режимах работы технического объекта в целом, отдельные функциональные блоки системы управления также работают в определенных режимах работы. Поэтому, возможно упрощение сложных моделей функциональных блоков с учетом конкретных режимов работы блока.
Поскольку система управления техническим объектом является сложной как по своей структуре, так и по параметрам звеньев и функциональных блоков системы управления, разработка системы управления, проверка ее адекватности и уточнение модели системы управления также являются немаловажной задачей наряду с задаче правильного выбора параметров моделей функциональных блоков системы управления. Важное место при моделировании имеет учет нелинейных характеристик звеньев и переменных параметров [10].
После того, как модель системы управления синтезирована возникает задача ее компьютерного имитационного моделирования и исследования. При этом используется математический аппарат методов численного решения систем нелинейных дифференциальных уравнений. Существует несколько подходов к решению такой задачи, при этом эти подходы отличаются между собой точностью, скоростью и трудоемкостью решения. Выбор правильного метода численного компьютерного имитационного моделирования влияет как на практическую ценность синтезированной модели, так и на время ее разработки и отладки.
2.2. Исследование особенностей иерархической структуры инженерно-технических систем управления.
Поскольку автоматизированная система управления (АСУ) для любого технического объекта является наиболее сложной ее функциональной частью, параметры и алгоритм работы которой можно перестраивать и с помощью которой выполняется существенное изменение режима и параметров работы технической системы, детальное рассмотрение вопросов синтеза модели АСУ и процесса компьютерного имитационного моделирования АСУ являются необходимыми условиями для получения точных и достоверных результатов исследования [5]. При синтезе модели АСУ любого технического объекта необходимо последовательно рассмотреть все вопросы, относящиеся к конструкционным и техническим особенностям АСУ. К этим вопросам относятся иерархическая структура АСУ исследуемого технического объекта, необходимость применения дискретных либо непрерывных моделей, форма записи модели, возможность применения тех или иных методов компьютерного имитационного моделирования.
Система управления сложным техническим объектом, в частности многоклетьевым проволочным прокатным станом может быть представлена в виде иерархической структуры (рис. 2.1) [10].
Рис. 2.1. Иерархия АСУ многоклетьевым проволочным прокатным станом.
Нижний уровень управления - исполнительный - реализуется с помощью АСУ электроприводами, непосредственно взаимодействующих с электродвигателями привода рабочих валков клетей. Верхний уровень управления - тактический - объединяет между собой АСУ нижнего уровня, определяет общие характеристики процесса прокатки [65]. Учитывая, что в процессе эксплуатации АСУ стана может совершенствоваться как технический процесс, так и алгоритмы управления АСУ стана, целесообразно в качестве АСУ нижнего уровня применять микро-ЭВМ [70], позволяющие достигнуть высокой гибкости управления без изменения элементной базы системы управления электроприводом. В качестве таких микро-ЭВМ в настоящее время применяются полностью автономные цифр