Предсказващо управление

През последните години в речника на инженерите по автоматизация навлезе един сравнително нов термин - предсказващо управление или predictive control. Въпреки сравнително ограничения практическия опит, който имат за момента КИП и А специалистите в страната с разработването, внедряването и поддържането на автоматизирани платформи с предсказващо управление, съществуването им предполага българските инженери да познават същността и спецификите в приложението им достатъчно добре. Това е и целта на настоящата статия - да ви запознаем с основите на предсказващото управление, както и да се опитаме да изясним същността на модели в изграждането на управляващи стратегии с предсказване. Ще продължим темата в следващ брой на сп. Инженеринг ревю, където ще акцентираме вниманието ви върху концепциите за изграждане на системи с предсказващо управление на големите играчи в света на индустриалната автоматизация.

Както показва наименованието му, предсказващото управление е автоматизирана платформа, стратегията за управление на която е базирана на прогнозиране поведението на системата в бъдещето. На практика, да се прогнозира бъдещето поведение на системата означава да се разработи достатъчно сигурен механизъм за правдоподобно оценяване на бъдещите стойности на процесните променливи на основата на наличната в момента информация за системата. Съвсем естествено, колкото по-подробна и коректна е информацията за текущото състояние на системата, толкова по-висока ще бъде точността на направената прогноза. Целта от включването на моделите за пресмятане на бъдещите стойности на процесните променливи в алгоритмите за управление е една - да се повиши ефективността в управлението на процеса, т.е. да се поддържат желаните стойности на изходните величини. Именно, подобни платформи за управление, които се основават на прогнозна информация за бъдещите стойности на изходите на системата, се наричат предсказващо управление.

Областта на приложение на т.нар. predictive control най-общо би могла да се обобщи с приложения, в които се търси по-висока ефективност при управлението на процесите, в сравнение с тази, която би могла да се постигне чрез прилагането на традиционно използваните методи за управление. Типичен пример за използването на predictive control са системи, чието бъдещо поведение може да се различава от текущото, например системи с времезакъснение.

Съществуват различни мнения по въпроса кой е основоположникът на тази нова фундаментална теория за процесна автоматизация. Съществуващата информация по въпроса ни отвежда в годините след Втората световна война, когато започва да си прокрадва път идеята за управление на производствени процеси с предсказване на бъдещото им поведение. Въпреки това, концепцията за управление с предсказване намира реално практическо приложение доста по-късно.

Ефективно управление на технологични процеси, които се характеризират със значително времезакъснение или ниво на управление, отличаващо се с висока динамика, е трудно постижимо с класическите концепции за управление. Развитието на съвременните програмируеми логически контролери в посока постигането на все по-широка функционалност, по-висока изчислителна мощ и по-голямо бързодействие откри нови възможности пред индустриалната автоматизация. От друга страна, сериозно развитие претърпяха и самите производствени технологии. Производствените процеси в съвременната индустрия се отличават с все по-висока степен на сложност. Развитието на индустриалния свят поставя нови, постоянно нарастващи изисквания по отношение на използваните концепции за управление.

Навлизането на предсказващото управление бе съпроводено и с опасения от страна на редица специалисти, че тази концепция за управление ще доведе до замяна на съществуващите концепции за управление. Разбира се, по подобие с актуалния за съвременната автоматизация въпрос коя технология е по-добра за управление в индустрията - PC или PLC, появата на predictive control не би могла да доведе до изчезването на традиционно използваните платформи за управление. Обратното, за приложения, в които пропорционално-интегралното управление би могло да осигури нужната ефективност и надеждност, продължава и ще продължава да се използва. Необходимо е да се отбележи, че концепцията, наречена предсказващо управление, далеч не е универсална по отношение на приложението си за решаване на сложните и разнообразни автоматизационни задачи в съвременната индустрия.

Управлението с предсказване се базира на строг теоретичен фундамент. За да се разгледат основите на философията на предсказващото управление се въвежда т.нар. опростен или базов процес (first order process). Въпреки че реалните процеси в индустрията са в много по-висока степен сложни от базовия процес, с известно приближение те могат да се представят чрез него. Всеки базов процес се характеризира с динамика K, времеконстанта Т и чисто времезакъснение D. Следователно, базовият процес се представя като KTD процес с променлива MV на входа и регулируема променлива CV на изхода. В този аспект MV е процесният вход, който се регулира с цел поддържане на процесния изход CV към специфична желана стойност. От своя страна, процесният изход CV с основание би могъл да се разглежда като обект на автоматизационната задача. Въпреки елементарността си избраният базов процес е достатъчно прецизен, за да се илюстрира ефективността на концепцията на предсказващото управление.

Прието е разработваният математически модел на процеса да се нарича вътрешен, тъй като се въвежда под формата на програма в средството за управление. Разработването на модел на процеса би могло да бъде резултат от използването на съответни техники на анализ, математически методи за анализ на т.нар. черни кутии, или базови системи с известни алгоритми на управление. Алтернативно, моделът на процеса би могъл да е изграден от математически формули във вида на т.нар. предавателни или трансферни функции, преходни характеристики и др. В действителност, вътрешният модел би могъл да има различен вид, в зависимост от избрания метод за изчисляване на изхода ym(t) на базата на входа MV(t).

Частен случай, намиращ практическо приложение, е изходът на модела да се изчислява единствено на базата на входа MV(t), без да се вземат предвид различни допълнителни променливи. Подобни модели се наричат независими. Основната им цел е да се изчисли бъдещата стойност на изхода на модела ym(t) при бъдеща стойност на входа MV(t) така, че да се изпълни предписаното поведение на системата. След съставянето на математическия модел се изпълняват последващите процедури, т.е. конфигуриране и настройка на контролера.

Базова концепция на предсказващото управление не е да се управлява всяка следваща стъпка от развитието на процеса, което е характерно за класическите управляващи системи, а да се избере задача, която е далеч в бъдещето. Много добър и нагледен пример за концепцията на predictive control е процесът на шофирането. Когато всеки от нас управлява автомобил, той не концентрира вниманието си непосредствено върху пътя пред колата. Стремим се да наблюдаваме пътя в далечина. Правим го, защото знаем, че всяко наше действие в момента ще доведе до реални резултати в определен бъдещ момент, който зависи от скоростта, с която се движим, техническите специфики на автомобила, особеностите на пътя и др. Следователно, действията, предприети от водача в настоящия момент, водят до последствия с дадено времезакъснение. По тази причина, за да реагираме своевременно в определен бъдещ момент, трябва да предприемем определени действия в настоящето.

Концептуално, написаното означава, че ако управляващата система се характеризира с нулева инерция, т.е. с нулево времезакъснение на изпълнението на управляващите команди, или конкретното приложение се отличава с нулева динамика, т.е бъдещото развитие на процеса е напълно известно, използването на predictive control не е необходимо. Ако, обаче, съществува вероятност от появата, образно казано, на неочаквани препятствия, изграждането на система с предсказващо управление би било целесъобразно. Под неочаквани препятствия в смисъла на дадения пример се разбира, например, появата на човек на платното за движение. В този ред на мисли, предсказващото управление ще предприеме действия, водещи до спирането на автомобила, отчитайки спирачните път и време, така че да се избегнат нежеланите последствия.

В случай че реалният процес се развива по експоненциална функция, той ще се доближава към избраната референтна траектория с време на реакция CLTR, еквивалентно на времето на реакция на базовия процес с време константа Tr. Следователно, за да се постигне желаната стойност на CLTR, трябва да се избере времеконстанта на базовия процес Tr три пъти по-малко от CLTR. Този избор се базира на класическото предположение, че времезакъснението на базовия процес е три пъти по-голямо от неговата времеконстанта.

Нека разгледаме следния пример - котел, захранван с мазут. Концепцията в управлението на горивното съоръжение се базира на изискването да се осигури такъв бъдещ дебит на мазута, че след 20 минути повърхностната температура на отоплителните тела да бъде 30 °С. Контролираният вход на процеса MV представлява дебита на мазута, с който се захранва котелът. Нека направим допускането, че направените изчисления ще обхванат точките от периода, ограничен от H1 до H2. Следователно, във време n променливата MV, обхващаща бъдещите стойности на дебита на мазута, захранващ котела, би могла да се представи чрез реда:

|MV(n), MV(n+1), ... MV(n+i) ... MV(n+H-1)|.

Изчислява се стойността на MV за време n. За време n+1 процедурата се повтаря, в резултат на което се дефинира нова референтна траектория, нова бъдеща инициализационна точка и т.н. По този начин, с всяка стъпка от изчисленията се създава нова инициализационна точка и референтната траектория към следващата точка. Изхождайки от дадения вече пример за шофирането, би могло да се направи изводът, че от гледна точка на теорията, шофьорът извършва управление на превозното средство с предсказване.

За да изясним терминологията, която навлезе през последните години във връзка с управлението с предсказване, ще обърнем специално внимание на т.нар. многомерно статистическо управление на процеси (Multivariate Statistical Process Control) или многомерен статистически мониторинг на процеси (Multivariate Statistical Process Monitiring). Предпоставка за развитието на концепцията е разработването и усъвършенстването на многовариантни статистически методи през последните години, предназначени да откриват анормално поведение при протичането на процесите. Тези статистически техники дават възможност на базата на информационни модели да се разпознава нормалното протичане на процесите с цел предсказване бъдещото им поведение. Границите в използването на статистическото управление се ограничават от грешките в модела за определяне отклоненията в нормалното протичане на процеса. MSPC моделите преодоляват недостатъците на т. нар. статистическо управление на процеси (Statistical Process Control) и техниките за моделиране, даващи възможност да се регулират стотици процесни променливи.

Според мнението на редица редица специалисти, предсказващото управление и мониторингът на състоянието на процеса са две различни като същност технологии за автоматизация. Въпреки това, през последните години си проправя път становището, че технологиите са взаимно допълващи се и комбинираното им използване води до оптимизиране управлението на производствените процеси. Съвместната работата на предсказващото управление и мониторингът на състоянието на процесите разкриват големи възможности за проследяване на процесите в реално време и обезпечаване на бъдещото им развитие в съответствие с изискванията. MSPM в действителност изпълнява две важни задачи. На първо място, основна задача на технологията е да осигури ранно предупреждение на оператора за отклонения в нормалното протичане на процеса. На второ място, цел на MSPM е да контролира текущото състояние на системата за управление, както и да я обезпечава информационно с цел оптимално изпълнение на автоматизационните задачи. Използването на статистическия мониторинг на процесите увеличава достоверността на подаваната от сензорите към системата за управление информация. Също така, дава необходимата информационна база за надеждно откриване на промени в заложения модел на процеса, което налага незабавно премоделиране.

Сред основните проблеми, свързани с използването на управлението с предсказване, се явява способността на системата да открие кога естествените промени, които се наблюдават в процеса в течение на времето, са достигнали пределни стойности. Известно е, че производителността на процесите с времето се понижава в резултат от постепенното влошаване на процесните характеристики. Нужно е да се отбележи, че става въпрос за естествено постепенно отклонение на параметрите на процеса от номиналните им стойности. Не говорим за внезапни, неочаквани аварийни ситуации, с които, за съжаление, понякога е съпроводена работата на съоръженията. Под постепенно влошаване на експлоатационните характеристики на процесните променливи се разбира, например, натрупването на замърсявания в топлообменниците или денонощни или сезонни промени, въздействащи върху охлаждащите способности на климатичните съоръжения. За съжаление, същността на математическите методи, на основата на които се изграждат концепциите за предсказващо управление, не осигурява нужната сигурност в откриването на постепенното влошаване на характеристиките на процеса. По тази причина, съществуват реални опасения, че нужното решение за спиране на производствената линия за почистване, например, би могло да се отложи във времето, както и че персоналът по поддръжката няма да бъде информиран за настъпващите промени. Всички изброени проблеми имат ценово изражение, включващо необходимост от изпълнението на непланирани дейности по профилактика на съоръженията или дори по-лошо - ремонтни работи или замяна на съоръжения.

По мнението на специалисти, решението на проблема се състои в интеграцията на предсказващото управление с MSPM, който осигурява надеждна и прецизна информация за текущото състояние на процеса. За да се илюстрират възможностите за интеграция на двете технологии, нека разгледаме следния пример - процес, който с течение на времето се влошава, т.е. топлообменът в системата се понижава. В съответствие с въведения алгоритъм за управление, контролерът ще продължи да регулира плътността на парата в съответствие с въведената стойност и да поддържа изпарителната температура спрямо зададените ограничения. В същото време, обаче, поради понижения топлообмен в системата, вентилът ще трябва да отработи по-голямо от номиналното управляващо въздействие. Следователно, скоростта на реакцията на системата няма да отговаря на динамиката на процеса.

Свидетелство за влошаване на експлоатационните характеристики на процеса е тенденцията в изменението на квадрата на грешката в предсказването. Нарастването на грешката в предсказването свидетелства с висока степен на надеждност, че са налице прогресивни промени в протичането на процеса.

Всички казано дотук се изтъква от редица експерти по автоматизация в подкрепа на становището, че интеграцията на предсказващото управление и мониторинга на текущото състояние на процесите представлява мощен инструмент за ефективното им управление в реално време.