Implementacja algorytmu regulacji predykcyjnej MPC w sterownikach programowalnych

pol Artykuł w języku polskim DOI:

wyślij Jarosław Tarnawski Katedra Inżynierii Systemów Sterowania, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska

Pobierz Artykuł

Streszczenie

Sterowniki programowalne PLC (ang. Programmable Logic Controllers) są główną przemysłową platformą implementacji algorytmów sterowania bezpośredniego. Standardowo producenci PLC udostępniają programistom jedynie podstawowe algorytmy sterowania. W niniejszym artykule rozważana jest implementacja w PLC zaawansowanej metody sterowania - algorytmu MAC/MPC (ang. Model Algorithmic Control/Model Predictive Control) ze względu na jego walory użytkowe oraz stosunkowo złożony proces implementacji. Regulacja MPC może być implementowana również w warstwie nadrzędnej hierarchicznego modelu systemu sterowania, dlatego prezentowany jest cały model. W artykule opisano proces weryfikacji regulatora MPC zaimplementowanego w PLC w warunkach pętli sprzętowej. Badane są czasy wykonania jednej iteracji regulatora oraz wymagania wobec wielkości pamięci PLC dla konkretnych parametrów regulatora, co może być wykorzystane do szacowania stosowalności na innych platformach i przydatności do sterowania konkretnymi obiektami. Właściwości regulatorów MPC są niedostępne dla klasycznych regulatorów (klasy PID wraz z modyfikacjami i rozwinięciami), zatem implementacja regulacji MPC w PLC istotnie rozwija możliwości sterowania na tej platformie.

Słowa kluczowe

algorytm sterowania, hierarchiczny model systemu sterowania, implementacja algorytmu regulatora, norma IEC 61131-3, pętla sprzętowa, regulacja predykcyjna MPC, sterownik programowalny, weryfikacja

Implementation of Predictive Control Algorithm in Programmable Logic Controllers

Abstract

PLCs (Programmable Logic Controllers) are the main industrial platform for the implementation of control algorithms. PLC manufacturers provide for programmers only basic control algorithms. With the development of PLC and their successors (Programmable Automation Controller - PAC) appeared increased CPU and memory capabilities of the equipment and fuller implementation of programming languages defined in the standard IEC-61131-3. PLCs and PACs now have the computing power and memory of the personal computer PC a few years ago, they can also be programmed in high level languages using matrix operations. Currently, PLC and PAC allow implementation of almost any discrete control algorithm. In this article it is considered the implementation of advanced control method - the algorithm MAC/MPC (Model Algorithmic Control/Model Predictive Control) due to its usability and for the presentation of the implementation process. MPC can be implemented also in the supervisory layer of hierarchical model of the control system, so the whole model is presented. Verification process of implemented MPC controller in the PLC with hardware-in-a-loop structure is presented. Results of cycle durations and memory requirements tests can be used to estimate the applicability of MPC controller on other platforms and for particular objects. Properties of MPC controllers are not available for the classic PLC controllers (PID class with modifications and expansions), therefore, the implementation of MPC in the PLC significantly expands the control capabilities of this platform.

Keywords

hardware-in-the-loop, hierarchical control system, IEC-61131-3, model predictive control, MPC implementation, programmable logic controller, verification

Bibliografia

  1. Niederliński A., Mościński J., Ogonowski Z., Regulacja adaptacyjna, WN PWN, Warszawa 1995.
  2. Tatjewski P., Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych, Akademicka O[cyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2002.
  3. Maciejowski J.M., Predictive Control with Constaints, Prentice Hall, 2002.
  4. Legierski T., Kasprzyk J., Wyrwał J., Hajda J., Programowanie sterowników PLC, Wydawnictwo Pracowni Komputerowej J. Skalmierskiego, Gliwice 1998.
  5. Kasprzyk J., Programowanie sterowników przemysłowych, WNT, Warszawa 2007.
  6. Korbicz J., Kościelny J.M., Modelowanie, diagnostyka i sterowanie nadrzędne procesami. Implementacja w systemie Diaster, WNT, Warszawa 2009.
  7. Holkar K.S., Waghmare L.M., An Overview of Model Predictive Control, “International Journal of Control and Automation”, vol. 3, no. 4, 2010, 47-63.
  8. Tarnawski J., Realizacja programowa algorytmów filtracji, estymacji i sterowania w PLC/PAC, „Pomiary Automatyka Robotyka”, 5/2013, 100-107.