komputerowe systemy sterowania - optimea.lh.ploptimea.lh.pl/air_gruby/27-38/29 - warstwowa struktura...
TRANSCRIPT
©KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Struktury Sterowania
– wprowadzenie –- Częśd I -
Politechnika Gdańska
Wydział Elektrotechniki i Automatyki
Kierunek: Automatyka i Robotyka
Specjalność: Automatyka i Systemy Sterowania
Studia stacjonarne I stopnia: rok III, semestr VI
dr inż. Tomasz Rutkowski
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Sterowanie:
wpływanie na obiekt w taki sposób
aby powodowad jego działanie, zachowanie się,
zgodnie z założonymi wymaganiami
2Żródło: W.Findeisen „Struktury…
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Obiekt sterowany (podlegający sterowaniu):
jest pewną wyodrębnioną częścią środowiska,
w którym występuje,
podlegając kontrolowanym lub niekontrolowanym
przez jednostkę sterującą
wpływom otoczenia
3
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Sterowane wielkości wejściowe (wejścia):
obserwacje, cechy wielkości
charakteryzujących stan obiektu sterowanego
Niesterowane wielkości wejściowe (zakłócenia):
wejścia które zakłócają pożądane zachowanie
obiektu sterowanego
4
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Wielkości wyjściowe (wyjścia obiektu):
obserwacje (pomiary) wartości i cechodpowiednich wielkości charakteryzujących
stan obiektu sterowanego
5
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Ogólna struktura systemu sterowania
6Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Cele sterowania (zazwyczaj różnej natury) np. :
» utrzymanie stałej zadanej temperatury w pomieszczeniu
» realizacja zadanej trajektorii lotu samolotu
» maksymalizacja zysków operatora telekomunikacyjnego
» minimalizacja kosztów wytwarzania opakowao z kartonu
» …
7
© KSS 2011
Struktury Sterowania
- scentralizowana- i zdecentralizowana
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Aby efektywnie realizowad cel główny
(np. ekonomiczny),
należy z reguły zapewnid realizację szeregu celów częściowych
przy braku lub niepełnej informacji
o zachowaniu otoczenia obiektu sterowanego
9
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
„proste” a „złożone” obiekty sterowania
Wiele obiektów sterowania ma złożoną naturę,
posiada wiele wejśd sterowanych, wiele wejśd zakłócających oraz wiele wyjśd
o skomplikowanej naturze wzajemnych powiązao (oddziaływao) pomiędzy wejściami i wyjściami
10
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Jakiego rodzaju strukturę sterowania zastosować ?
» scentralizowaną
» czy zdecentralizowaną
11
„złożone” obiekty sterowania
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Sterowanie scentralizowane:
– trudnośd zapewnienia odpowiedniego bezpieczeostwa przebieguprocesu sterowanego
– trudnośd związane z reakcją systemu na zjawiska niekontrolowanei nieprzewidziane (jednoczesne i szybkie przetwarzanie dużej ilościinformacji)
– trudnośd „włączenia” człowieka w proces nadzoru
Można powiedzied, że trudności tym bardziej widoczneim „złożonośd” obiektu sterowania większa
12
„złożone” obiekty sterowania
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Sterowanie zdecentralizowane:
Stosuje się podejście „hierarchiczne”
polega na dekompozycji pierwotnego celu sterowania
na szereg zadao cząstkowych,
mniej złożonych i wzajemnie ze sobą powiązanych,
z których każde związane jest z przetwarzaniem mniejszej ilości
informacji i realizacją na ogół jedynie celu cząstkowego
13
„złożone” obiekty sterowania
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Podstawowe sposoby dekompozycji zadania (celu) sterowania:
– dekompozycja funkcjonalna
– dekompozycja przestrzenna
14
„złożone” obiekty sterowania
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Dekompozycja funkcjonalna:
» wydzielenie szeregu funkcjonalnie różnych cząstkowych celów sterowania wzajemnie ze sobą powiązanych w ramach struktury pionowej (struktura warstwowa)
» jednostka decyzyjna związana z każdą z warstw podejmuje decyzje odnoszące się do tego samego obiektu ale każda z nich podejmuje decyzje różnego rodzaju
15
„złożone” obiekty sterowania
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Dekompozycja przestrzenna:
» jest związana z przestrzenną strukturą złożonego obiektu (w ramach jednej warstwy) i polega na podziale zadania sterowania na mniejsze, lokalne podzadania funkcjonalne tego samego rodzaju ale o np. mniejszej wymiarowości
16
„złożone” obiekty sterowania
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Typowe szczegółowe podcele (cele cząstkowe) sterowania:
– zapewnienie bezpiecznego przebiegu procesów w obiekcie sterowanym
– zapewnienie odpowiednich cech wyjśd obiektu (utrzymanie zmiennych wyjściowych w obszarze wartości dopuszczalnych)
– optymalizacja bieżącej efektywności działania obiektu sterowania (np. maksymalizacja zysków przy minimalizacji kosztów)
17
© KSS 2011 18
Warstwowa struktura sterowania
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011 19Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
Warstwowa struktura sterowania
© KSS 2011 20
Podstawowe zdania i okresy interwencji warstw sterowania
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011
Komputerowe Systemy Sterowania
Dekompozycja wyjściowego problemu sterowania na prostsze, funkcjonalnie wzajemnie powiązane ze sobą
podzadania upraszcza projektowanie, sterowanie i nadzorowanie procesu
Projektuje się układy sterowania dla poszczególnych warstw, które realizują wydzielone cele cząstkowe,
a nie jeden układ centralny dla całego procesu
21
© KSS 2011
Przykład struktury sterowania zdecentralizowanego
Żródło: Niderlioski „Systemy …
© KSS 2011
Obiekt / model obiektu
w strukturze warstwowej
© KSS 2011 24
Stru
ktu
ra w
ars
two
wa
reg
ula
cji i
op
tym
aliz
acj
i z
dek
om
poz
ycją
ob
iekt
u s
tero
wa
neg
o
Żró
dło
: P.T
ati
ewsk
i„St
ero
wa
nie
…
© KSS 2011 25
Cechy modeli procesu sterowanego w poszczególnych warstwach sterowania
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011 26
Mo
del
ow
an
ie o
bie
ktu
ste
row
an
ego
w
str
ukt
urz
e w
ars
two
wej
© KSS 2011
Przykład 1:
- dekompozycji modelu obiektu- oraz różne struktury sterowania
© KSS 2011 28
Układ reaktora przepływowego z idealnym wymieszaniem
W
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011 29
Równania reaktora przepływowego
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011 30
Reaktor z układami sterowania bezpośredniego (LC i TC)
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011
Charakterystyka zastosowanego rozwiązania: • pętle sterujące są strukturalnie odseparowane
• układy sterujące (LC i TC) są ulokowane w bezpośredniej warstwie sterowania (bezpośredni dostęp do obiektu –możliwośd bezpośredniego wpływania na wielkości wejściowe sterujące)
• duża częstotliwośd interwencji (mały okres próbkowania)
31
Komputerowe Systemy Sterowania
Czy wymiana informacji pomiędzy układami sterującymi (LC i TC) o sterowaniu realizowanym przez te układymoże się przełożyć na „jakość/efektywność”
zastosowanego rozwiązania?
© KSS 2011 32
Reaktor z układami sterowania bezpośredniego (LC i TC) i nadrzędnego (AC) realizującego stabilizację stężenia CB
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011 33
Zdekomponowany opis blokowy struktury sterowania reaktora realizującego stabilizację stężenia CB
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011
Charakterystyka zastosowanego rozwiązania: • aby właściwie zaprojektowad warstwę nadrzędną to układy sterujące (LC i TC) ulokowane w bezpośredniej warstwie sterowania powinny „dobrze” funkcjonowad
• w trakcie projektowania można posłużyd się modelem prostszym niż model dynamiki całego układu
• wolna dynamika zmian stężenia CB substancji B
• czas pomiaru stężenia CB substancji B znacznie dłuższy od okresu próbkowania układów sterujących poziomem i temperaturą (LC i TC)
• układ regulacji kaskadowej
34
Komputerowe Systemy Sterowania
© KSS 2011 35
Zadanie optymalizacji dynamicznej
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011 36
Warstwowa struktura sterowania reaktora realizująca bieżącą optymalizację punktu pracy
Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…
© KSS 2011
Charakterystyka zastosowanego rozwiązania: • możliwośd wykorzystania modelu procesu do „optymalnego” kontrolowania wolno ziemnego stężenia CB substancji B
• właściwe sformułowanie zadania optymalizacji
• odpowiednie algorytmy optymalizacji
• odpowiednie zasoby obliczeniowe
37
Komputerowe Systemy Sterowania
© KSS 2011
Przykłady 2-5:
- różne struktury sterowania
(klasyczna, scentralizowana,warstwowa, rozproszona)
© KSS 2011
Przykład klasycznej struktury sterowania
Żródło: Grega „Metody i algorytmy…
© KSS 2011 40
Zalety Wady
• Autonomia pętli sterujących• Precyzyjnie określone zadania
układów sterowania (regulatorów)
• Zastosowania dla procesów gdzie można wyróżnid procesy składowe
• Brak wymiany informacji pomiędzy układami sterowania
• Ograniczone możliwości wizualizacji stanu procesu i archiwizacji danych procesowych
Przykład klasycznej struktury sterowania
Żródło: Grega „Metody i algorytmy…
© KSS 2011
Przykład scentralizowanej struktury sterowania
Interfejs I/O
System informacyjnyplanowania produkcjii wytwarzania (MIS)
Żródło: Grega „Metody i algorytmy…
© KSS 2011 42
Zalety Wady
• Brak barier w przepływie informacji (możliwa wymiana informacji pomiędzy układami sterującymi, możliwa optymalizacja sterownia)
• Możliwośd wizualizacji stanu procesu i archiwizacji danych procesowych
• Moc obliczeniową centralnego komputera umożliwia zainstalowanie systemu SCADA
• Możliwośd połączenia systemu automatyki z zakładowym systemem informacyjnym planowania produkcji i wytwarzania (ang. Manufacturing Information System, MIS)
• Krytycznym elementem infrastruktury jest komputer centralny
• Liczba zadao realizowanych przez komputer centralny wymaga odpowiedniej mocy obliczeniowej oraz rozbudowanego oprogramowania
• Relatywnie wysokie koszty utrzymania systemu
Żródło: Grega „Metody i algorytmy…
Przykład scentralizowanej struktury sterowania
© KSS 2011
Przykład wielowarstwowej struktury sterowania
Żródło: Grega „Metody i algorytmy…
Sieć teletransmisyjna(magistrala polowa, sieć miejscowa; fieldbus)
© KSS 2011 44
Zalety Wady
• Rozproszony charakter systemu automatyki zwiększa jego pewnośd działania, ewentualne awarie mają zasięg lokalny
• Przetwarzanie danych ma charakter rozproszony
• Możliwośd wizualizacji stanu procesu i archiwizacji danych procesowych
• Centralne zbieranie danych umożliwia optymalizację sterownia
• Możliwośd zainstalowanie systemu SCADA
• Możliwośd połączenia systemu automatyki z zakładowym MIS
• Możliwośd występowania opóźnieo w transmisji informacji (np. zależne od typu zastosowanej sieci teleinformacyjnej, czy typu procesu - proces rozległy „terytorialnie”)
• Brak przepływu informacji pomiędzy sterownikami warstwy sterowania bezpośredniego
• Brak możliwości przejęcia funkcji sterujących jednego sterownika w przypadku awarii drugiego
Żródło: Grega „Metody i algorytmy…
Przykład wielowarstwowej struktury sterowania
© KSS 2011
Przykład rozproszonej struktury sterowania
Żródło: Grega „Metody i algorytmy…
© KSS 2011 46
Zalety Wady
• Umożliwia również „poziomy” przepływ informacji pomiędzy układami sterowania (w ramach warstwy sterowania bezpośredniego)
• Łatwośd tworzenia hierarchicznych, warstwowych struktur sterowania
• Ułatwiona obsługa systemu oraz lokalizacja i usuwanie awarii
• Rozproszenie funkcji „pomiarowo-sterujących”
• Możliwośd elastycznego kształtowania funkcji systemu
• Możliwośd optymalizacji sterownia, zainstalowania systemu SCADA w dowolnym miejscu systemu, połączenia z systemem MIS
• Relatywnie wysoki koszt narzędzi konfiguracyjnych
• Koniecznośd stosowania wyspecjalizowanych urządzeo koocowych – interfejsów dostosowujących przesyłane sygnały do standardu magistrali
• Opóźnienia (o różnym charakterze) związane z przesyłaniem informacji (zależne od typu zastosowanej sieci, konfiguracji systemu)
Żródło: Grega „Metody i algorytmy…
Przykład rozproszonej struktury sterowania
© KSS 2011
Bibliografia:
W. Findeisen (1997). Struktury sterowania dla złożonych procesów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa.
W. Grega (2004). Metody i algorytmy sterowania cyfrowego w układach scentralizowanych i rozproszonych. Wydawnictwa AGH Kraków.
P. Tatjewski (2002). Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa.
A. Niederliński (1985). Systemy komputerowe automatyki przemysłowej.W NT, Warszawa.
47
Dziękuję za uwagę !!!
48