Система имитационного моделирования в АСУТП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

СИСТЕМА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В АСУТП

Халимон В.И., к.т.н., доцент

Аннотация

имитационный моделирование интерфейс автоматизированный

Рассмотрена проблема построения системы имитационного моделирования для использования в составе САПР АСУТП. В качестве основы для такой системы моделирования предложено ядро, которое дает возможность пользователю разрабатывать на предметно-ориентированном языке специализированные компоненты. Система имитационного моделирования имеет четыре уровня программного интерфейса, которые предоставляют широкие возможности по расширению и настройке системы пользователям различной квалификации. Особое внимание уделено динамическому изменению интервала квантования с тем, чтобы модель описывала реальный объект с требуемой точностью

Annotation

This article is devoted to the problem of building a simulation system as an application for process control system CAD/CAM. The core, which enables user to develop dedicated elements in objectively oriented language lies at the heart of such system. The simulation technique system has four levels of application program interface, which give widespread capabilities for the adjustment of the system by users of different experience. Special consideration was given to the dynamic change of the sampling rate, so that enables the model to describe a real object with adequate accuracy.

Основная часть

Разработка автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) с учетом сложности проектных процедур предполагает возможность предварительной проверки полученных проектных решений, что можно сделать, например, посредством имитационного моделирования. Использование этой возможности позволяет существенно сократить временные и экономические затраты на разработку систем управления.

В этом смысле современные вычислительные методы и быстродействующие ЭВМ открывают новые перспективы перед разработчиками АСУТП. На основе математических моделей, отражающих сущность технологических процессов, можно создать программно-алгоритмическое обеспечение для разработки систем управления, в котором имитационное моделирование является одним из мощных методов исследования реально существующих и проектируемых объектов самой различной природы и степени сложности (в том числе и системы управления технологическими процессами).

Исходя из современного состояния рассматриваемой проблемы, нами разработаны методики построения имитационных моделей для исследования качества систем управления технологическими процессами.

Базисом для построения системы имитационного моделирования является вычислительное ядро, выполняющее, одновременно с моделированием, функции отдельных компонентов системы моделирования, таких как пользовательский интерфейс, работа с библиотекой типовых модулей и др.

В процессе создания этой методики разработаны:

· принципы построения системы имитационного моделирования для систем управления, позволяющие удовлетворять таким требованиям, как возможность адаптации к предметной области, возможность наращивания, открытость для пользователя;

· предметно-ориентированный язык описания управляющих устройств, приборов и аппаратов АСУТП;

· критерий динамического управления модельным временем, позволяющий достичь компромисса между точностью моделирования, определяемой интервалом квантования и временем, затрачиваемым на моделирование;

· метод моделирования обратной реакции по расходу материального носителя между последовательно сопряженными аппаратами объекта управления.

· пользовательский интерфейс ядра системы имитационного моделирования для работы в интерактивном режиме при моделировании системы управления.

Созданная система имитационного моделирования включает в себя, кроме моделирующего ядра, внешний интерфейс и библиотеку типовых модулей, позволяющую анализировать работу системы управления в процессе ее проектирования. Библиотека типовых модулей может расширяться.

Ядро системы имитационного моделирования предоставляет пользователю возможность разрабатывать специализированные компоненты (отвечающие требованиям предметной области), замещающие или дополняющие базовые компоненты системы, что позволяет использовать разработанную систему для построения широкого спектра систем имитационного моделирования различной степени сложности для использования в составе САПР АСУТП.

При этом основным условием возможности моделирования системы управления является наличие алгоритмов функционирования отдельных модулей (приборов и аппаратов), позволяющих моделировать поведение объекта на интервале времени t, используя информацию о внутреннем состоянии и внешних воздействиях.

Система моделирования в этом случае позволяет исследовать на дискретной имитационной модели поведение проектируемых систем управления технологическими процессами. При этом рассматриваются именно динамические системы и имитация их функционирования. Под динамической системой понимается система, выход которой определяется не только входным сигналом, но и состоянием системы, т.е. система с памятью.

В системе используется пошаговая реализация модельного времени с динамическим интервалом квантования, что позволяет достичь заданной точности моделирования в широком диапазоне частотных характеристик моделируемой системы. Для описания объектов технологической схемы и элементов системы управления используется специализированный предметно-ориентированный язык программирования.

Рассматриваемая имитационная система моделирует обратную реакцию по расходу материальной среды между последовательно сопряженными аппаратами, составляющими объект управления, что увеличивает достоверность получаемых результатов и уменьшает влияние быстрых переходных процессов в системе на интервал квантования модельного времени.

Система имитационного моделирования имеет четыре уровня интерфейса:

составление схемы из готовых модулей, описывающих устройства управления, приборы и аппараты технологических схем;

написание собственных модулей;

написание дополнительных компонентов системы моделирования;

замещение компонентов ядра системы моделирования.

Интерфейс, выполненный в соответствии со стандартами MS Windows, дает возможность пользователю не только наблюдать течение процесса во времени, но и вмешиваться в него, изменяя параметры регуляторов и моделей.

В предлагаемой системе дискретного имитационного моделирования большое значение имеет критерий, определяющий достаточность интервала квантования для удовлетворения точности моделирования.

Как показал анализ погрешности моделирования, на ее величину существенное влияние оказывает интервал квантования. Выбор интервала квантования сигналов связан с нахождением рационального компромисса между точностью аппроксимации исходной модели и затратами машинного времени на процесс моделирования. При выборе шага величиной t в выходном сигнале, согласно теореме Найквиста (2), устраняются частоты, большие t/2.

К точности моделирования систем управления предъявляются высокие требования, поэтому важно разработать критерий, который позволяет на основании изменения координат моделируемой системы в пространстве состояний динамически изменять интервал квантования с тем, чтобы модель описывала реальный объект с требуемой точностью.

Опуская промежуточные вычисления и рассуждения, окончательную формулировку принятого в системе критерия можно представить в следующем виде: интервал квантования достаточен тогда, когда для двух или более последовательных итераций, меньших интервала квантования, выполняется правило аддитивности значений контролируемых параметров и равенство с заданной точностью их производных, то есть изменение параметра на интервале t равно сумме изменений на составляющих его интервалах. В данном случае это обозначает достаточное приближение нелинейных процессов к линейным.

В этом случае система моделирует шаг работы с максимальным интервалом квантования, после чего делит интервал квантования на несколько неравных частей и выполняет моделирование работы системы с интервалами квантования, определяющимися из разделения исходного интервала. После этого результирующие значения проверяются на аддитивность, а их производные - на равенство с заданной точностью, Если все указанные условия выполняются, то исходный интервал квантования принимается за достаточный.

При описании модулей система имитационного моделирования оперирует двумя типами элементов технологической схемы: интегрированными в систему и описываемыми в виде пользовательских модулей на входном предметно-ориентированном языке. Алгоритмы действия интегрированных в системе имитационного моделирования технологических единиц предопределены и являются частью системы моделирования. Это связано, с одной стороны, с тем, что все эти модули предоставляют развитый экранный интерфейс и их реализация в виде программируемых пользовательских модулей затруднена, с другой стороны, с тем, что в рамках моделирования систем управления алгоритмы функционирования таких устройств, как преобразователь или показывающий прибор, не требуют содержательного описания и в силу этого могут быть реализованы в системе имитационного моделирования в виде функциональных зависимостей.

К интегрированным в системе имитационного моделирования элементам технологической схемы относятся: преобразователи, показывающие приборы и элементы ручного управления.

Алгоритмы действия остальных элементов моделируемой схемы технологического процесса реализуются в виде пользовательских программ, входящих в состав программируемых пользовательских модулей, к таким элементам относятся: аппараты, датчики, регуляторы и исполнительные устройства.

Для описания модулей, используемых в системе имитационного моделирования, разработан специальный язык, который успешно прошел тестирование на реальных системах моделирования. Для моделирования системы управления совместно с объектом управления, согласно предлагаемой методике, разработано ядро системы имитационного моделирования, построенное на базе многозадачной оболочки-интерпретатора. В основе разработанного ядра системы моделирования лежит микроядро (3), выполняющее роль диспетчера внутрисистемных связей. Микроядро контролирует взаимодействие загруженных компонентов, которые составляют ядро системы имитационного моделирования и отвечают за их выгрузку по окончании работы.

Задачи, выполняемые ядром системы моделирования, разделяются на основные и вспомогательные. К основным относятся: имитация функционирования технологического процесса и системы управления; имитация управляющих воздействий и возмущений; связь с внешним интерфейсом (интерфейсом пользователя); построение системы связи между объектами (в виде графа объектов); создание протоколов работы системы в режиме имитации. К вспомогательным задачам относятся: управление загрузкой компонентов системы; загрузка алгоритмов функционирования приборов и аппаратов; параллельное выполнение алгоритмов действия отдельных объектов.

Ядро системы распадается на несколько логически независимых компонентов. Основными компонентами ядра системы моделирования являются: система обеспечения многозадачности; система управления модельным временем; язык описания моделей; диспетчер компонентов и сервисов; компоновщик технологической схемы; внешний (пользовательский) прикладной программный интерфейс; система протоколирования и регистрации ошибок; диспетчер базы данных алгоритмов функционирования аппаратов; диспетчер базы данных параметров аппаратов.

Компоненты диспетчеров баз данных интегрированы в файловом интерфейсе, что позволяет использовать унифицированные процедуры доступа к различным видам данных.

Предлагаемая методика опробована при моделировании системы управления процессом получения органического удобрения из уротропина. Используя разработанную систему имитационного моделирования и модели технологических единиц, было проведено моделирование функционирования системы управления совместно с объектом управления. В результате моделирования достигнуто регламентное течение процесса нитрования при выходе нитромассы с заданным содержанием целевого компонента. При запуске в установившемся режиме течения процесса все контролируемые параметры находились в допустимых регламентом пределах, что позволяет говорить об адекватности разработанной системы управления поставленной задаче. Это же является подтверждением рациональности использования предложенной системы имитационного моделирования при разработке контуров управления в САПР АСУТП.

Литература

1. Лапко А.В. Имитационные модели неопределенных систем. Новосибирск: ВО "НАУКА", 1993г. 114 с.

2. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984г.

3. Халимон В.И., Сотников В.В., Тенишев Д.Ш., Мач Д.П.//XI Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии (МКХТ-97): Тез.докл. М., 1997. c. 20.

Размещено на Allbest.ru