Komputerowe Systemy Sterowania - optimea.lh.ploptimea.lh.pl/air_gruby/27-38/29 - Warstwowa struktura...

©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


Sterowanie:

wpływanie na obiekt w taki sposób

aby powodowad jego działanie, zachowanie się,

zgodnie z założonymi wymaganiami

2Żródło: W.Findeisen „Struktury…

© KSS 2011


Obiekt sterowany (podlegający sterowaniu):

jest pewną wyodrębnioną częścią środowiska,

w którym występuje,

podlegając kontrolowanym lub niekontrolowanym

przez jednostkę sterującą

wpływom otoczenia

3

© KSS 2011


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


Wielkości wyjściowe (wyjścia obiektu):

obserwacje (pomiary) wartości i cechodpowiednich wielkości charakteryzujących

stan obiektu sterowanego

5

© KSS 2011


Ogólna struktura systemu sterowania

6Żródło: P.Tatiewski „Sterowanie…

© KSS 2011


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


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


„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


Jakiego rodzaju strukturę sterowania zastosować ?

» scentralizowaną

» czy zdecentralizowaną

11

„złożone” obiekty sterowania

© KSS 2011


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


© KSS 2011


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


© KSS 2011


Podstawowe sposoby dekompozycji zadania (celu) sterowania:

– dekompozycja funkcjonalna

– dekompozycja przestrzenna

14


© KSS 2011


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


© KSS 2011


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


© KSS 2011


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


© KSS 2011


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


© 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


© KSS 2011 29

Równania reaktora przepływowego


© KSS 2011 30

Reaktor z układami sterowania bezpośredniego (LC i TC)


© 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


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


© KSS 2011 33

Zdekomponowany opis blokowy struktury sterowania reaktora realizującego stabilizację stężenia CB


© 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


© 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


© 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


© KSS 2011

Przykład scentralizowanej struktury sterowania

Interfejs I/O

System informacyjnyplanowania produkcjii wytwarzania (MIS)


© 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


Przykład scentralizowanej struktury sterowania

© KSS 2011

Przykład wielowarstwowej struktury sterowania


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


Przykład wielowarstwowej struktury sterowania

© 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)


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

Komputerowe Systemy Sterowania - optimea.lh.ploptimea.lh.pl/air_gruby/27-38/29 - Warstwowa struktura...

Documents

Transcript of Komputerowe Systemy Sterowania - optimea.lh.ploptimea.lh.pl/air_gruby/27-38/29 - Warstwowa struktura...