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

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