Фафурин В.А., Терюшов И.Н. Автоматизация технологических процессов и производств - файл n1.doc

приобрести
Фафурин В.А., Терюшов И.Н. Автоматизация технологических процессов и производств
скачать (16087.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc16088kb.18.09.2012 09:51скачать

n1.doc

1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   21

Системы регулирования объектов с запаздыванием
Большинство технологических объектов характеризуется наличием чистого запаздывания в каналах регулирования.

Из-за значительного чистого запаздывания в объекте авто­матизации существенно снижается качество регулирования при использовании обычных промышленных регуляторов.

Даже при оптимальных настройках регуляторов качество процессов регулирования тем хуже, чем больше и само запаз­дывание, и его отношение к постоянной времени объекта ?/Т. Очевидно, на интервале 2?, пока регулирующее воздействие еще не сказывается на выходе объекта, процесс регулирования совпадает с переходной функцией объекта. При этом динами­ческая ошибка регулирования не может быть меньше, чем значение выхода апериодического звена при t = 2?. Если, на­пример, ? = Т, то у(2?) = уan(Т)0,63 ymax, где ymax — устано­вившееся значение выхода объекта (рис. 3.25).

Рис. 3.25. Графики процессов регулирования при различных значениях отно­шения ?/т: а — ? =0,2 Т; б — ? =Т; 1 — переходная функция объекта; 2— процесс регулирования
В практике регулирования объектов с запаздыванием принято считать, что если отношение ?/Т превышает 0,2, то применение обычной непрерывной АСР со стандартным регулятором не обеспечит удовлетворительного ка­чества регулирования. В предель­ном случае — для усилительного звена с чистым запаздыванием (т. е. Т=0) —динамическая ошибка принимает максимально возможное значение- kx (где х — ступенчатое возмущение). Максимальный эффект, который может обеспечить в этом случае идеальная система регулиро­вания,— сведение к нулю ошибки регулирования за время 2?. Реальный ПИ-регулятор, настроенный на заданную степень затухания переходного процесса, может справиться с этой за­дачей за время, приблизительно равное (5—6)? (рис. 3.26).


Рис. 3.26. Процесс регулиро­вания звена чистого запаздыва­ния ПИ-регулятором
Примерно такой же эффект дает импульсное регулирование, когда регулятор подключают к объекту периодически (с перио­дом t0>?) на небольшой отрезок времени. При этом на объект подается регулирующее воздействие, пропорциональное ошибке. Оно остается постоянным до следующего момента включения регулятора, когда проявится эффект от предыдущего воздей­ствия. При правильном выборе интервала t0 можно добиться некоторого уменьшения времени переходного процесса, однако значения интегральных критериев качества остаются прибли­зительно такими же, как и при непрерывном регулировании. На рис. 3.27 приведены структурная схема и графики переход­ных процессов в импульсной АСР.



Рис 3.27. Структурная схема АСР и гра­фики переходных процессов при импуль­сном регулировании звена чистого запазды­вания: 1- объект; 2 — регулятор; 3 — импульсный эле­мент
В тех случаях, когда к качеству переходных процессов в системе регулирования предъявляют высокие требования, целе­сообразно использовать специальные регуляторы или алгоритмы, обеспечивающие ком­пенсацию чистого запазды­вания. Примером такого регулятора является регулятор Смита. Он представляет собой замкнутую систему, состоящую из обычного регулятора R(p) и модели объекта WМ (p), включенной в линию обратной связи к регулятору (рис. 3.28).


Рис. 3.28. Структурная схема АСР с регулятором Смита
Уравнение модели объекта выводится из условия, чтобы желаемая передаточная функция объекта по каналу регулирования не содержала звена чистого запаздыва­ния. Представим истинную передаточную функцию объекта в виде произведения
W(p) = W0(р)e-р? (32)
Здесь W0(р)=B(p)/A(p) — дробно рациональная функция. Тогда желаемая передаточная функция будет равна W0(р). Условие компенсации запаздывания запишется в виде равен­ства
W0(р)e-р? +Wм(p) = W0(p)
Откуда передаточная функция модели запишется в виде:

Wм(p) = W0(р) (l - e-р?). (33)

В этом случае характеристическое уравнение разомкнутой системы имеет вид:

1 - W0(p)R(p) = 0. (34)
Следовательно, при одних и тех же параметрах настройки ре­гуляторов запас устойчивости АСР с регулятором Смита выше, чем обычных АСР. Это означает, что при одинаковом запасе устойчивости АСР (например, при одной и той же степени за­тухания переходных процессов) для регулятора Смита можно принять более высокую рабочую частоту и больший коэффи­циент усиления, что обеспечит лучшее качество регулирования. Для сравнения на рис. 3.29 приведены процессы регулирования одного и того же объекта ПИ-регулятором и регулятором Смита.


Рис. 3.29. Графики переходных процес­сов в' АСР: 1 - с ПИ-регулятором; 2 - с регулятором Смита
К недостаткам регулятора Смита, кроме сложности его структуры и аппаратурной реализации, относится высокая чув­ствительность к параметрам настройки модели. Ошибки в на­стройке модели, вызванные неточностью априорных знаний о характеристиках объекта или нестационарностью его свойств, могут привести не только к ухудшению качества переходных процессов, но и к потере устойчивости системой регулирования.

При построении систем автоматизации весьма полезными будут общие концепции влияния запаздывания на характер переходных процессов в АСР, на устойчивость и качество их работы.

Объекты могут обладать запаздыванием как по каналам возмущающих воздействии, так и каналам регулирования.

Если запаздывание имеет место по каналу возмущающего воздействия, то передаточная функция системы может быть за­писана в виде:

, (35)

где Wz (p) и Wx (р)передаточные функции объекта по кана­лам соответственно возмущающего и регулирующего воздейст­вия при отсутствии запаздывания; Wp(p) —передаточная функ­ция регулятора.

Из анализа формулы (35) следует, что по сравнению с переходным процессом в системе без запазды­вания наличие последнего сдвигает переходный процесс на вре­мя ?, не изменяя его формы, устойчивость и показатели качества (при тех же значениях настроечных параметров регулятора) остаются прежними.

При запаздывании по каналу регулирующего воздействия
передаточная функция системы принимает вид:

. (36)

В этом случае запаздывание усложняет задачу регулирования объекта; при этом быстродействие АСР уменьшается, качество регулирования ухудшается, область устойчивости системы в плоскости настроечных параметров регулятора резко сокраща­ется.

Для подтверждения последнего положения выделим области устойчиво­сти одноконтурной замкнутой АСР, состоящей из устойчивого объекта 1-го порядка с запаздыванием и ПИ-регулятора, передаточные функции которых имеют вид:

; (37)

; (38)
при различных значениях ?.
Как известно, с учетом отрицательной обратной связи характеристиче­ское уравнение этой системы имеет вид:
. (39)
Подставляя в него выражения передаточных функций объекта и регулятора, получим

. (40)

Для нахождения границ устойчивости заменим в уравнении (40) символ р на мнимую величину i? и, освобождаясь от мнимости в знаменателе, найдем

(41)

Для общности полученных результатов введем новые обозначения



и подставляя их в уравнение (41), получим:

. (42)

Представляя экспоненциальную функцию через тригонометрические

,

разделив уравнение (42) на действительную и мнимую части и выделив искомые параметры системы, получим

, (43)

. (44)

Задаваясь значениями х, при k0=2, вычислим величины kр и 1/? для не­скольких значений ?. Полученные результаты, приведенные на рис. 3.30, показывают, что размеры области устойчивости системы сильно зависят от значения ?.



Рис. 3.30. Зависимость размеров области устойчивости АСР в плоскости параметров регулятора от запаздывания объекта
При ?=0 система устойчива, если значения параметров настрой­ки регулятора, находятся в интервалах - 0,5< k р< ? и 0 < Т/ТИ < ?. При ?>0 область значений параметров регулятора, при которых система устой­чива намного меньше. С возрастанием отношения ?/Т область устойчивости интенсивно сокращается. Можно также показать, что с возрастанием ? обла­сти параметров настройки регулятора, соответствующие определенным по­казателям качества процесса регулирования, также уменьшаются. Это свиде­тельствует о сокращении возможностей достижения переходного процесса с требуемыми по условиям технологии параметрами качества регулирования.

Улучшить качество регулирования объектов, имеющих значительные емкостные запаздывания можно применением регуляторов с дифференциальной составляющей в их законе регулирования.

Для подтверждения этого проведем сравнительный анализ качества работы, например, П и ПД – регуляторов

Влияние введения Д-составляющей в пропорциональный за­кон регулирования иллюстрируется графиком, приведенным на рис. 3.31, где показаны изменение пропорциональной хП и дифференциальной хд составляющих, а также пропорциональ­но-дифференциальной хпд составляющей, т. е. ПД-закона регулирования при непрерывном изменении входной величины у.



Рис. 3.31. График, иллюстрирующий влияние введения дифференциальной составляющей в пропорциональный закон регулирования

В случае применения П- регулятора при одинаковом отклоне­нии регулируемой величины от заданного значения (точки А и В) величина воздействия на объект будет одинакова незави­симо от того, удаляется ее значение от заданного или прибли­жается к нему. Для повышения же качества регулирования воз­действие регулятора должно было бы быть большим в случае удаления регулируемой величины от заданного значения, чем при противоположном изменении. Это требование выполняется при введении в закон регулирования Д-составляющей; при на­хождении регулируемой величины в точке А выходная величина ПД-регулятора больше (воздействия П- и Д-составляющих ре­гулятора складываются), чем в точке В (воздействия П- и Д-составляющих регулятора вычитаются).

При наличии в законе регулирования Д-составляющей регу­лятор реагирует и на изменения скорости входной величины, т. е. на интенсивность ее изменения; такой регулятор вступает в работу быстрее, чем П-регулятор. Введение в закон регулиро­вания воздействия по производной приводит к усилению влияния регулятора на переходный процесс, при этом сокращается вре­мя переходного процесса и уменьшаются колебания регулируемой величины.

Переходная характеристика ПД -регулятора h(t) приведена на рис. 3.32. Она отличается от переходной характеристики П-регулятора большим изменением выходной величины сразу же после изменения величины у. С течением времени отклонение х уменьшается, и величина х становится постоянной и рав­ной ХП в соответствии со значением предела пропорционально­сти П- составляющей регулятора. Физически действие предваре­ния можно представить как временное уменьшение действия об­ратной связи регулятора.



Рис.3.32 Переходная характе­ристика ПД-регулятора
Динамическая характеристика ПД- регулятора для случая, когда входная величина изменяется с постоянной скоростью, приведена на рис. 3.33. Для сравнения там же приведена ана­логичная характеристика для П- регулятора.

Выходные величины П- и ПД- регуляторов изменяются с одинаковой скоростью, равной , но при ПД- регуляторе выходная величина всег­да на больше, чем при П- регуляторе. По сравнению с ХП выходная величина ХПД достигает тех же значений с опере­жением, равным ТД/kp. По графикам (см. рис. 3.33) можно найти время дифференцирования ТД. Обозначим через t1 время, в течение которого величина Хп достигает ступенчатого изменения величины ХД, равного

. (45)



Рис. 3.33. График изменения со­ставляющих хп, хд и общей вы­ходной величины Хпд ПД- регуля­тора при изменении входной вели­чины у с постоянной скоростью

Изменение Хп за время t1 равно

. (46)

Приравняв Хп и Хд, получим
. (47)

Откуда

. (48)

Таким образом, время дифференцирования Тд- это отрезок времени, на который выходная величина ПД- регулятора Хпд опережает его пропорциональную составляющую ХП при изме­нении входной величины с постоянной скоростью и при условии, что коэффициент передачи регулятора kР равен единице.

Графики, приведенные на рис. 3.34, позволяют сравнить работу ПД- и П- регуляторов при колебательном изменении входной величины у.



Рис. 3.34. График изменения составляющих ХП, ХД и общей выходной величины ХПД ПД- регулятора при гармоническом
изменении входной величины у

На рисунке показано изменение выходной величины регулятора во времени под действием только П- составляющей (выходная величина П- регулятора) Хп и только Д-составляющей Хд. Отметим, что максимальное отклонение ве­личины Хд наблюдается при максимальной скорости изменения параметра у. Зависимость Хпд (выходная величина ПД- регуля­тора) получена путем алгебраического сложения ординат кри­вых Хп и Хд. Из рисунка видно, что изменение величины Хпд опережает изменение величины Хд, а следовательно, и изменение параметра у. Это еще раз подтверждает, что в замкнутом кон­туре регулирования при отклонении регулируемой величины от заданного значения ПД- регулятор вступает в работу раньше, чем П- регулятор.

Структурная схема ПД- регулятора приведена на рис. 3.35.


Рис.3.35. Структурная схема ПД-регулятора

Она состоит из усилительного звена с очень большим коэффи­циентом передачи (k1) и апериодического звена 1-го порядка, установленного в цепи отрицательной обратной связи. Передаточная функция W(p) такой системы равна [3,6]

.

Разделив числитель и знаменатель полученного выражения на k1 и пренебрегая в знаменателе слагаемым 1/k1, получим

.

Вводя новые обозначения kp=1/k2 и Тд = Т/k2, окончательно находим

. (49)

Законы регулирования в АСР и их настроенные параметры могут быть определены по следующей формуле [5].

, (50)

где WР(р) - оптимальная передаточная функция регулятора; - время чистого (транспортного) запаздывания по каналу регулирования; (P) – передаточная функция объекта по каналу регулирования без учета запаздывания.

Опыт показывает, что переходные характеристики большинства встречающихся на практике промышленных объектов имеют неколебательный характер. Такие характеристики обычно хорошо аппроксимируются инерционной системой второго порядка с запаздыванием [1,3,5]:

(51)

а в случаях, когда может быть допущена большая динамическая ошибка регулирования – инерционной системой первого порядка с запаздыванием

(52)

или даже иногда безинерционной системы с запаздыванием
. (53)

В случае, если динамика объекта описывается уравнением (51), то в соответствии с (50) получим следующие выражение для передаточной функции регулятора



, (54)



где
Анализируя уравнение (54) заключаем, что это уравнение известного нам ПИД - регулятора, серийно выпускаемого промышленностью.

Для объектов, описанных уравнением (52), аналогично получим

, (55)

где ; .

Это уравнение стандартного ПИ-регулятора.

Для объектов, описываемых уравнением (53), получим уравнение И – регулятора

, (56)

где .


Уравнения (51, 52, 53) описывают динамическое поведение объектов, обладающих самовыравниванием. Однако на практике встречаются объекты, не обладающие свойством самовыравнивания. Динамические свойства таких объектов достаточно хорошо описываются выражением вида

. (57)

Или даже более простым выражением

. (58)

Подстановка выражений (57, 58) в формулу (50) приводит к двум типовым алгоритмам регуляторов.

ПД – регулятор

, (59)

где ; .

П - регулятор

, (60)

где .

Особенностью ПД и П - регуляторов является то, что они имеют остаточную неравномерность регулирования.

Величина остаточной неравномерности зависит от нагрузки объекта, при которой наступило новое установившиеся состояние, а также от динамических характеристик объекта и настроек регулятора.
Выбор законов регулирования для сложных систем
Каскадные АСР. Выбор законов регулирования в этих системах осуществляется согласно таблице.

Таблица 3.2
Комбинации законов регулирования главного (корректирующего) и вспомогательного (стабилизирующего) регуляторов

Корректирующий регулятор

Стабилизирующий регулятор

ПИ

ПИ

ПИД

ПИД

П

ПИ

П

ПИ


Примечание:

  1. Если главный регулятор контролирует инерционную величину, например, температуру или состав, то он должен иметь ПИД – закон регулирования.

  2. Закон регулирования главного регулятора не должен быть проще закона регулирования вспомогательного регулятора

  3. Если от контура вспомогательного регулятора требуется высокое быстродействие, то для него используют П – закон регулирования


Комбинированные АСР
Законы регулирования регуляторов в контурах по отклонению выбираются согласно формуле (50).

Законы регулирования динамических компенсаторов определяются по формулам (6), (6а) или по таблице 3.1, если достаточным будет соблюдение условий инвариантности с точностью до «».
Взаимосвязанные (автономные) АСР
Законы регулирования регуляторов, контролирующих регулируемые величины У1 и У2, определяются по формуле (50), а законы регулирования внешних компенсирующих устройств - по формулам (29), (30).
АСР с дополнительным импульсом по производной, импульсные системы и АСР с регулятором Смита
Законы регулирования регуляторов в этих АСР определяются соответственно формулами (16), (17), (18); формулами--для импульсных систем и  - для систем с регулятором Смита,

где R(p) – передаточная функция регулятора без учета модели объекта (см. рис.3.28).

Расчет указанных типов АСР удобно проводить на ЭВМ по методикам, изложенным в [6] и с использованием пакетов автоматизированного проектирования по курсу ТАУ [4].

Объемы необходимых автоматических защит и технологических блокировок по п.3.4 определяются спецификой автоматизируемого объекта и его потенциальной опасностью.

Устанавливаются параметры сигнализации (технологической, аварийной и др.) защиты и блокировки, параметры для электрических схем управления.

Схемы и устройства сигнализации, защиты, блокировки и управления чаще всего выбираются готовыми, реже проектируются специализированные устройства. В настоящее время задачи сигнализации, защиты и блокировки, как правило, программируются и реализуются на контролерах в виде систем противоаварийной защиты (ПАЗ) и систем сигнализации [2].

Как уже говорилось выше, современные системы автоматизации строятся как многоуровневые иерархические структуры, чаще всего, двух- и трехуровневые, и задача выбора технических средств автоматизации по п.3.5 и 4.2 должна быть рационально решена для всех уровней управления.

На рис. 3.26 представлена типовая структура двухуровневой системы автоматизации, представляющая собой схему соединений (привязки) датчиков и исполнительных механизмов с ПТК первого уровня (п.3.6) и схему связи средств автоматизации первого и второго уровней управления между собой. В этой системе на первом уровне представлены датчики, регулирующие органы, контроллер или группа контроллеров, связанных между собой контроллерной сетью, и автоматизированное рабочее место оператора- технолога (АРМОТ) с функциональной клавиатурой, мышью и принтером. На втором уровне располагаются рабочее место начальника смены и инженерная станция.

Выбор всей этой совокупности технических средств далеко непростая и неоднозначная задача, поскольку при этом надо учитывать все свойства автоматизируемого объекта, удовлетворить поставленным требованиям к системе контроля и управления, найти некий рациональный компромисс между различными противоречивыми критериями (информационной мощностью, надежностью, открытостью, стоимостью и т.д.)

При выборе датчиков технологических параметров и вторичных приборов должны быть учтены требования их современности, надежности, точности работы и стоимости (фирмы Метран г. Челябинск, Теплоприбор г. Рязань и др.) [7].

Регулирующие органы должны обладать требуемой расходной характеристикой, надежностью, иметь заданную пропускную способность и небольшие габариты (фирма «Камфлекс», г. Великий Новгород, «Самсон», Италия и др.)

При выборе контроллеров необходимо учитывать их информационную мощность (число каналов ввода/вывода аналоговой и дискретной информации), надежность в работе, открытость, т.е. аппаратную и программную совместимость с аналогичными контроллерами отечественного и зарубежного производства, стоимость (соотношение цена/качество).

ЭВМ, являются основой рабочих станций (АРМОТ, рабочее место начальника смены, инженерная станция) должны обладать требуемым быстродействием, необходимым объемом оперативной памяти и винчестера и высокой надежностью в работе.
2. Исходные данные и порядок выполнения лабораторной работы
Исходные данные
Вариант I
1. Схема ректификационной установки (рис. 3.36). Установка состоит из колонны ректификации К. теплообменника подогрева исходной смеси T-1, кипятильника Т-2, конденсатора Т-3 и флегмовой емкости Е.

В колонне осуществляется разделение бинарной смеси. Температуры кипения разделяемых компонентов существенно различаются, вследствие чего колонна имеет небольшое число тарелок и неболь­шую высоту. Запаздывания и инерционность по каналам передачи возмущающих и управляющих воздействий относительно невелики. Имеют место сильные внутренние перекрестные связи между основными контролируемыми (регулируемыми) величинами процесса - составами (температурами) дистиллята и кубового продукта.

В паровом потоке, выходящем с верха ректификационной колонны, содержатся неконденсируемые в условиях работы теплообменника Т-3 компоненты в инертные газы. Они отводятся из емкости орошения на сдувку (в топливную сеть).

Режим работа установки подвержен большим и частым возмущениям: по расходу F и составу XF сырья; по давлению (рас­ходу) греющего агента, подаваемого в теплообменник T-I и кипятильник Т-2; по давлению (расходу) хладагента, подаваемого в конденсатор Т-3.



Рис. 3.36. Схема ректификационной установки
2. Для выбора оптимальных структур АСР, управляющих положениями регулирующих органов на линии подачи флегмы в колонну К и линии подачи греющего агента в кипятильник Т-2 ("ключевые" уп­равления процессом ректификации) при действующих на колонну возмущениях по расходу F и составу XF сырья, задаются области допустимых управлений (ОДУ), построенные в плоскости уп­равляющих воздействий процесса: расход дистиллята D - расход пара V в кипятильник колонны. ОДУ построены для минимального, номинального и максимального уровня возмущений (расходов F и составов XF сырья) по математической модели статики процесса ректификации с использованием моделирующих алгоритмов STAT B05 и STAT B06, описанных в этом методическом пособии (смотри лабораторную работу №2).
3. Заданы динамические параметры объекта: (постоянные вре­мени Т; запаздывания ?; коэффициент передачи Коб ) по кана­лам:

а. «изменение положения регулирующего органа P01 - расход
сырья F» ( ХР1F) ;

б. «изменение положения регулирующего органа P02 - расход
греющего агенте F1» ( ХР2F1);

б*. «изменение положения регулирующего органа Р02 - температура сырья ? F после T-1» ( ХР2 ?F);

в. «изменение положения регулирующего органа Р03 - состав дистиллята ХD» ( ХР3 ХD);

г. «изменение положения регулирующего органа Р04 - давление Р в колонне» ( ХР4P);

д. «изменение положения регулирующего органа Р05 - уровень в кубе колонны» ( XР5 L) ;

е. «изменение положения регулирующего органа Р02* - темпе­ратура сырья ? F после T-1» ( XР2*  ? F) ;

ж. «изменение положения регулирующего органа Р04* - давление P в колонне» ( XР4*  Р);

з. «изменение положения регулирующего органа Р06 - температура в кубе колонны» ( XР6  ? К);

з*. «изменение положения регулирующего органа РО6 - температура ? B вверху колонны» ( XР6  ? B);

и. «изменение положения регулирующего органа РОЗ - температура ? B вверху колонны» ( XР3  ? B);

и*. «изменение положения регулирующего органа РОЗ - температура ? К низа колонны» ( XР3  ? К);

4. Заданы величины действующих на объект возмущений, выраженные в % хода регулирующего органа:

а. канал XР1F (по расходу сырья F);

б. каналы XР2F1, XР2 ?F (по давления греющего агента P1 и его теплосодержанию q1);

в. канал XР3XD (по составу сырья XF );

г. канал XР4P (по давлению Р2 хладагента, по­даваемого в конденсатор Т-3);

д. канал XР5L (по теплосодержанию q2 греющего агента, подаваемого в кипятильник Т-2).
5. Заданы требования к качеству процесса регулирования (динамическая ошибка Хmax, время регулирования tP, степень зату­хания переходных процессов ?, статическая ошибка регулирования Хcm).

Исходные данные по п. 3 (а - д), 4, 5 приведены в табл. 3.3, a по пунктам 3 (е, ж, з, и) - в табл. 3.4 исходных данных.
Таблица 3.3

Динамические параметры объекта и требования к качеству процесса регулирования

Объект (канал

регулирования)

Динамические параметры

размерность

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Р1 ? ?F

Р2 ? ??F

Р2 ? ?Gn

Р3 ? ?XD

Р4 ? ?P

Р5 ? ?L

Т

с

мин

с

мин

мин

мин

8,0

6,2

6,0

4,8

3,6

3,6

8,4

6,5

7,0

5,0

4,0

4,0

9,0

6,6

6,5

4,6

3,8

2,8

10

5,9

8,5

4,5

3,0

4,5

9,4

5,8

12,0

4,9

4,2

4,2

9,6

6,8

10,0

8,0

4,5

3,0

10,4

6,3

7,1

4,7

3,0

3,7

8,2

6,1

6,4

4,4

3,5

4,8

9,8

5,9

7,2

5,1

4,3

5,0

12,0

5,5

8,0

5,0

2,7

3,4

10,5

5,4

8,4

4,7

3,1

4,6

11,6

5,3

8,8

5,2

4,4

4,4

Р1 ? ?F

Р2 ? ??F

Р2 ? ?Gn

Р3 ? ?XD

Р4 ? ?P

Р5 ? ?L

КОБ

ед.изм.рег.вел.

% хода р. о.

3,9

0,40

0,80

0,01

0,01

16,0

4,0

0,48

0,60

0,012

0,10

32,0

3,8

0,44

0,70

0,011

0,07

20,0

3,9

0,40

0,80

0,01

0,08

30,0

4,2

0,43

0,85

0,012

0,07

30,0

4,1

0,50

0,82

0,01

0,10

50,0

4,3

0,58

0,80

0,012

0,08

27,0

3,9

0,42

0,78

0,014

0,047

23,4

4,4

0,50

0,81

0,01

0,05

29,2

4,1

0,47

0,78

0,011

0,05

18,0

3,7

0,60

0,83

0,014

0,08

24,0

4,05

0,48

0,80

0,012

0,075

35,0

Р1 ? ?F

Р2 ? ??F

Р2 ? ?Gn

Р3 ? ?XD

Р4 ? ?P

Р5 ? ?L

?

с

мин

с

мин

мин

мин

2,0

4,6

1,5

2,9

1,9

1,8

2,1

4,8

2,0

3,0

1,8

2,2

2,3

4,9

1,8

2,8

1,5

1,3

2,5

4,3

2,3

2,7

1,8

2,4

2,4

4,2

3,0

2,9

1,9

2,6

2,5

5,0

2,5

3,1

2,0

1,2

2,6

4,7

2,0

2,8

2,7

1,6

2,1

4,5

1,9

2,6

2,1

2,5

2,5

4,4

2,1

3,0

2,0

2,7

3,2

4,1

2,2

3,1

1,9

2,0

2,6

4,0

2,1

2,8

2,5

2,8

3,0

3,9

2,2

3,0

2,0

2,3


Продолжение таблицы 3.3

Р1 ? ?F

Р2 ? ??F

Р2 ? ?Gn

Р3 ? ?XD

Р4 ? ?P

Р5 ? ?L

хВ

% хода р. о.

12

30

20

10

20

30

10

30

22

10

30

20

12

30

20

10

30

30

10

25

21

10

30

25

12

30

24

10

20

30

12

25

18

10

20

20

10

30

18

10

25

25

12

30

21

10

30

30

12

25

19

10

20

30

10

30

20

10

30

20

10

30

18

10

25

30

12

30

21

10

20

25

Р1 ? ?F

Р2 ? ??F

Р2 ? ?Gn

Р3 ? ?XD

Р4 ? ?P

Р5 ? ?L

Хmax

м3

0С

м3

м.доли

кгс/см2

мм

20

5,0

8,0

0,05

0,8

250

18

6,0

6,0

0,06

0,7

300

19

5,5

7,0

0,055

0,6

320

17

6,0

7,8

0,05

0,75

400

20

5,6

8,2

0,06

0,5

500

18

5,2

7,9

0,05

0,9

450

16

6,1

8,3

0,06

1,0

340

20

5,4

8,0

0,07

0,85

350

18

5,3

8,1

0,05

0,50

420

16

5,7

8,4

0,055

0,80

200

16

6,2

7,9

0,07

0,94

360

20

6,0

7,6

0,06

0,65

400

Р1 ? ?F

Р2 ? ??F

Р2 ? ?Gn

Р3 ? ?XD

Р4 ? ?P

Р5 ? ?L

tP

с

мин

с

мин

мин

мин

26

35

18

25

10

25

26

35

24

22

12

20

28

35

22

20

15

16

30

30

36

21

20

20

29

30

36

21

20

26

30

35

20

22

20

15

32

34

25

20

14

20

26

32

23

19

25

30

30

32

26

22

16

27

40

30

27

22

14

24

32

28

26

20

12

23

36

28

27

22

24

19

Р1 ? ?F

Р2 ? ??F

Р2 ? ?Gn

Р3 ? ?XD

Р4 ? ?P

Р5 ? ?L

?

0,75


Окончание таблицы 3.3

Р1 ? ?F

Р2 ? ??F

Р2 ? ?Gn

Р3 ? ?XD

Р4 ? ?P

Р5 ? ?L

хсm

м3

0С

м3

м.доли

кгс/см2

мм

0

0

3,8

0

0

0

0

0

2,6

0

0

0

0

0

3,0

0

0

0

0

0

2,9

0

0

0

0

0

3,2

0

0

0

0

0

3,4

0

0

0

0

0

3,1

0

0

0

0

0

2,9

0

0

0

0

0

4,2

0

0

0

0

0

2,8

0

0

0

0

0

4,0

0

0

0

0

0

3,6

0

0

0



Таблица 3.4

Объект (канал

регулирования)

Динамические параметры

размерность

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

*Р2 ? ??F

*Р4 ? ?P

Т

мин

мин

3,4

1,6

2,8

1,4

2,6

1,9

3,2

1,8

2,4

1,3

2,7

1,5

3,1

1,2

3,3

1,8

2,2

2,0

2,8

1,0

2,9

1,6

2,0

2,1

*Р2 ? ??F

*Р4 ? ?P

Р6 ? ??К

Р6 ? ??В

Р3 ? ??В

Р3 ? ??F




ед.изм.рег.вел.

% хода р. о.

0,58

0,15

0,60

0,10

0,64

0,075

0,80

0,08

0,86

0,09

0,75

0,15

0,82

0,14

0,76

0,10

0,94

0,08

0,76

0,10

0,90

0,16

0,80

0,10

К11

К12

К22

К21

0,70

0,50

0,80

0,40

0,80

0,60

0,90

0,50

0,80

0,40

0,70

0,50

0,80

0,60

0,90

0,70

0,90

0,80

0,70

0,60

0,80

0,50

0,80

0,60

0,90

0,80

0,90

0,70

0,90

0,80

0,80

0,70

0,90

0,40

0,80

0,75

0,70

0,50

0,60

0,40

0,85

0,55

0,70

0,50

0,85

0,70

0,90

0,65

*Р2 ? ??F

*Р4 ? ?P

?

мин

мин

1,5

0,38

1,4

0,33

1,2

0,44

1,7

0,40

1,4

0,30

1,3

0,35

1,5

0,27

1,6

0,41

1,0

0,46

1,3

0,25

1,5

0,40

1,0

0,50

Требуется:
1. Провести анализ технологического процесса ректификации как объекта управления. С учетом конструктивных особенностей и реальных условий работы колонны ректификации, а также ее характеристик выявить все существенные входные и выходные переменные процесса (возмущения, допускающие стабилизацию; контролируемые и неконтролируемые возмущения; управлявшие воздействия и выходные регулируемые координаты), а также связи между ними через процесс. В нашем случае важна степень связи К между основными регулируе­мыми величинами - составами (температурами) верха и низа колонны и соответствующими им регулирующими воздействиями: расходом флег­мы на орошение и расходом пара в кипятильник колонны. Её величину рассчитать по формуле (27), исходя из заданных характеристик колонны (коэффициентов передачи) по соответствующим динамическим каналам (см. табл. 3.4 исходных данных).

2. Определить точки отбора импульсов (места установки первичных измерительных преобразователей) и места приложения ре­гулирующих воздействий.

Регулирующие воздействия, осуществляющие стабилизацию тем­пературы ?F после теплообменника T-1 (XР2 или XР2*) и давления в колонне (XР4 или XР4*), выбрать исходя на задан­ных динамических характеристик колонны по п.п. 3 б, 3 е и 3 г, 3 ж (см. табл. 3, 4 исходных данных).

3. Согласно п.2 исходных данных выбрать оптимальную структуру АСР, стабилизирующую работу верхней и нижней частей колонны.

При этом необходимо учесть следующие факторы:

а. Температуры (составы верха и низа колонны) являются взаимосвязанными через процесс параметрами со степенью связи K, определяемой по формуле (27).

б. При работе колонны имеют место сильные возмущения по дав­лению греющего агента, подаваемого в кипятильник Т-2.

За основу при выборе оптимальной структуры АСР взять методи­ку, изложенную в этом пособии (лабораторная работа №2).

4. Рассчитать АСР расхода сырья, установленную перед тепло­обменником T-1, т.е. выбрать тип регулятора расхода (П, ПИ и др.) и рассчитать его настроечные параметры, обеспечивающие за­данное качество работы автоматической системы.

Выбрать (рассчитать) сужающее устройство (диафрагму), пере­пад давления Рmax дифманометра - расходомера и его тип (марку), верхний предел измерения вторичного прибора [7, 8, 9, 10].

Верхний предел измерения выбирается из ряда: А = а 10 n , где а = 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; n - целое (положительное или отрицательное) число или нуль.

Недостающие исходные данные для расчетов, задаются преподавателем в процессе работы.

5. Выбрать и обосновать выбор структуры АСР температуры сырья: после теплообменника T-1 (одноконтурная, каскадная, комбинированная и др.). Рас­считать АСР выбранной структуры, т.е. выбрать тип регулятора (или регуляторов в сложных АСР) и рассчитать его (их) настроечные пара­метры, обеспечивающие заданное качество работы автоматической сис­темы.

Подобрать датчики и вторичные приборы на заданные пределы измерения. Пределы измерения автоматических потенциометров, мостов и измерительных преобразователей различных градуировок и их типы (марки) приведены в [8, 9].

6. Рассчитать АСР состава дистиллята на верхней контрольной тарелке.

Если одноконтурная АСР окажется неработоспособной, то необ­ходимо применить и рассчитать каскадную АСР (с дополнительным воз­действием по расходу флегмы или по какому-либо другому параметру). Подобрать датчики и вторичные приборы на заданные пределе измере­ния [8].

7. Аналогичным путём рассчитать АСР давления в верхней части
колонны и АСР уровня в кубе колонны. Подобрать датчики давления и уровня и вторичные приборы на заданные пределы измерения [7, 8, 9].

Расчет АСР следует осуществлять по программам “ЦАСР РПФ”, “ЦАСР РНП” и “ЦАСР РПП”, приведенные в приложении 3.

Примечание. Расчет АСР состава, давления, уровня по п.п. 6, 7 и 8 проводить лишь при наличии достаточного объема часов на лабораторный практикум, По усмотрению преподавателя объем работ по п.п. 6, 7, 8 можно ограничить выбором и изображением схем указанных АСР и подбором технических средств для их реализации.

8. Разработать автоматическую систему защиты (АСЗ) ректификационной установки при превышении давления Р в колонне его мак­симально допустимого значения, падении расхода сырья F и давле­ния греющего агента в T-1 и Т-2 ниже минимально допустимых значений [2].
Порядок выполнения лабораторной работы


  1. Проводим анализ технологического процесса ректификации как объекта управления. Материал, необходимый для анализа процесса ректификации с позиции задач управления, перечень решаемых при этом задач приведены в [1,3] и определены этапом 1 построения систем автоматизации.

  2. Устанавливаем параметры контроля, регулирования, сигнализации и защиты, определяем точки отбора импульсов по этим параметрам и места приложения регулирующих воздействий.

Решение вопросов оп этому пункту осуществляем на основе использования типовой схемы автоматизации процесса ректификации [1,3] и рекомендаций, изложенных в [2].

Для основного числа параметров контроля и регулирования реше­ния по выбору точек технологического контроля и мест приложения регулирующих воздействий однозначны. Поэтому обратим внимание только на те решения, которые могут быть неоднозначными и требуют пояснений.
АСР расхода сырья
Диафрагма и регулирующий клапан АСР расхода должны быть уста­новлены до теплообменника T-1 обязательно. Дело в том, что после нагревания смеси до температуры кипения в теплообменнике она мо­жет содержать паровую фазу, что нарушает работу регулятора расхо­да.
АСР температуры сырья после теплообменника T-1
Для уменьшения вредного влияния запаздывания на работу АСР датчик температуры (термопара, манометрический термометр и др.) должен быть установлен как можно ближе к теплообменнику, желатель­но в непосредственной близости от выходного патрубка. Регулирующий орган АСР температуры может быть установлен на линии подачи греющего агента в T-1 (рис.3.37), или на байпасной линии теплообменника, (рис.3.38) по нагреваемому продукту [3].

Согласно рекомендациям, наложенным в [3], в качестве регулирующего обычно выбирают то воздействие, по отношении к которому регулируемая величина имеет наибольший коэффициент передачи К и наименьшее отношение ?/ Т.

В нашем случае имеем (см. исходные данные по динамике каналов XР2 ?? ?F и ?XР2* ?? ?F , табл. 3,4);

1. для варианта, изображенного на рис.3.37

Коб =0,40 , ?/Т =0,74 ;

2. для варианта, изображенного на рис. 3.38

Коб =0,58 , ?/Т=0,44

Следовательно, в качестве регулирующего воздействия более
целесообразно выбрать воздействие байпасированием нагреваемого продукта. В данном случае динамические характеристики АСР улучшаются за счет частичного исключения теплообменника из цепи регулирования. Однако при этом следует учитывать, что установка байпас­ной линии усложняет монтаж АСР, делает систему более дорогостоящей.



Рис. 3.37. АСР температура теплообменника с клапаном на линии подачи теплоносителя



Рис. 3.38. АСР температура теплообменника с клапаном на байпасной линии
АСР состава дистиллята
Отбор пробы по составу дистиллята может быть осуществлен с контрольной тарелки или на линии дистиллята после колонны. Соглас­но рекомендациям, изложенным в [3] , отбор осуществляем о верхней контрольной тарелки. В этом случае запаздывание и инерционность канала регулирования состава удается свести к минимуму.

Регулирование состава в принципе может быть осуществлено воздействием регулятора на расход флегмы или на расход пара в кипя­тильник колонны [3] . Анализ динамических параметров кана­лов XР3  ?В,, ?K и XР6  ?К, ? В дает основание принять в качестве регулирующего воздействия по расходу флегмы, так как при этом отношение ?/ Т меньше, а Коб больше, чем при воздействии по расходу пара.
АСР давления верха колонны
По давлению ректификационная колонна является объектом с сосредоточенными параметрами. Поэтому место отбора импульса по дав­лению на имеет значения. Обычно информация по давлению отбирается в верхней части колонны. Регулирующее воздействие вносится из­менением расхода хладагента в конденсатор Т-3, или изменением положения регулирующего органа на линии сдувки из емкости орошения (если в паровом потоке имеются неконденсируемые компоненты или инертные газы). При наличии последних предпочтение отдают регулирующему воздействию сдувкой, так как в этом случае инерционность канала регулирования давления минимальна. В соответствии с данными, приведенными в таблицах 3.3 и 3.4. динамические параметры каналов регулирования Р4 ??Р, ?Х* Р4 ??Р имеют следующие числовые значения:
Таблица 3.5

Динамические параметры каналов Р4 , ?Х* Р4

Динамические параметры

Канал регулирования

?/Т

Коб

Р4 ??Р

* Р4 ??Р

0,53

0,24

0,10

0,15


Согласно рекомендациям [3] в качестве регулирующего воздействия выбираем воздействие по положению клапана на линии сдувки XР4*).

Заметим, что в ряде случаев в качества регулирующего воздействия принимают воздействие на оба регулирующих органа. АСР давления такого типа описаны в [1].
Выбираем оптимальные структуры основных АСР процесса
Выбор структуры АСР, стабилизирующих работу верхней и нижней частей колонны.
Выбор структуры АСР, управляющей положениями регулирующих органов на линии подачи флегмы на орошение и линии подачи пара в кипятильник колонны, осуществлен по методике, изложенной в [1] . При этом необходимо учесть условия, заданные пунктами 3, 4 исходных данных.

Исходные давние по выбору оптимальной структуры АСР задаются в виде областей допустимых управлений, построенных по моделирующим алгоритмам STAT В05 и STAT B06, приведены в лабораторной работе 2 этого пособия.

При выборе структуры нерешенным остается вопрос контроля и регулирования температурного режима низа ректификационной колонны. В принципе он может быть решен ус­тановкой регулятора температуры в нижней части колонны с выдачей его регулирующего воздействия в камеру задания регулятору расхода пара [3].

Так как по заданию ректификационная колонна имеет небольшое число тарелок и небольшую высоту, то здесь существенны связи между основными выходными координатами - температурами (составами) верха ?В и низа ?К колонны и регулирующими воздействиями - расходом флегмы на орошение ХР3 и расходом пара в кипятильник колонны ХР6.

Структурная схема процесса ректификации как объекта управления с перекрестными связями имеет вид

Рис. 3.39. Структурная схема процесса ректификации как объекта управления: W11(p), W22(p) – передаточные функции объекта по прямым каналам передачи воздействий; W21(p), W12(p) – то же по перекрестным каналам
Исходя из заданных коэффициентов передачи колонны по каналам XР3 ?В, ?К и XР6 ?К, ?В по формуле (27) определим степень связи К:



Так как К=0,36 > 0,2, то для качественного регулирования режимов работы верха и низа колонны, необходимо применение автономной АСР [1] .

Ввиду сложности технической реализации автономных АСР задачу регулирования режимов работы верха и низа колонны можно решить так: температуру (состав) верха колонны регулировать изменением расхода флегмы, а внизу колонны регулировать не температуру (состав), а расход пара в кипятильнике с помощью АСР расхода. Температуру же (или состав) в кубе колонны просто контролировать. Такое решение позволит ликвидировать вредное влияние перекрестных связей в объекте, возникающих при раздельном регулировании температур (соста­вов) верха и нива колонны.

Коэффициенты передачи динамических каналов, заданные в таблице 3.4, определят выбор места установки регулирующего органа АСР состава дистиллята.
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   21


Системы регулирования объектов с запаздыванием
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации