лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
1.2. Свойства объектов управления 1.2.1. Емкость Работа любого управляемого объекта связана с притоком (приходом), стоком (расходом) и преобразованием материальных и энергетических потоков, поэтому емкость является свойством, характерным для всех объектов управления в химической технологии. Под емкостью объекта (аккумулирующей способностью) обычно понимают его способность накапливать или сохранять вещество или энергию. Объекты управления по числу емкостей подразделяются на од-ноемкостные и многоемкостные. Одноемкостный объект управления состоит из одного сопротивления стоку (расходу) вещества или энергии и одной емкости. К одноемкостный объектам относятся резервуары и аппараты, в которых регулируется уровень жидкости; аппараты, в которых регулируется давление газа или пара; теплообменники смесительного типа с непосредственным контактом теплоносителя и нагреваемого (или охлаждаемого) вещества; участки трубопроводов, на которых регулируется давление или расход, и др. Многоемкостные объекты состоят из двух или более емкостей, последовательно соединенных и разделенных сопротивлениями. Большинство промышленных объектов управления (ректификационные и абсорбционные колонны, теплообменники, сложные гидравлические системы и др.) являются многоемкостными объектами. На рис. 4.5 приведены примеры одноемкостных и многоемкостных объектов. Из сказанного следует, что чем больше емкость объекта, тем меньше скорость изменения выходной величины при одном и том же изменении потока подаваемого в объект вещества или энергии. Это означает, что емкость характеризует инерционность объекта. 1.2.2. Самовыравнивание Состояние объекта может быть нарушено в результате изменения материальных или энергетических потоков (притока или стока), т. е. нанесением на объект возмущающих воздействий. При этом выходные величины будут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от того, что окажется больше — приход или расход. По способности восстанавливать равновесное состояние после нанесения на объект возмущающего воздействия объекты делят на нейтральные, устойчивые, неустойчивые. Объекты без самовыравнивания (нейтральные) Объекты без самовыравнивания называют нейтральными, или астатическими.  Рис. 7. Схема объекта регулирования без самовыравнивания Выходные величины нейтральных объектов не оказывают воздействия на приток (приход) или сток (расход) вещества или энергии, т. е. в нейтральных объектах отсутствует внутренняя обратная связь. При отсутствии возмущающего воздействия нейтральный объект может находиться в состоянии равновесия при любых значениях выходной величины. При нарушении равновесия в объекте скорость изменения выходной величины пропорциональна величине возмущающего воздействия, т. е. при наличии не скомпенсированного возмущающего воздействия статический режим в нейтральном объекте не возможен. Объекты с самовыравниванием (устойчивые) Способность объекта прийти после нанесения возмущающего воздействия в новое установившееся состояние без вмешательства управляющего устройства называется самовыравниванием (саморегулированием). Объекты с самовыравниванием называют статическими, или устойчивыми. В объектах с самовыравниванием ступенчатое входное воздействие изменяет выходную величину со скоростью, постепенно уменьшающейся до нуля. Самовыравнивание является результатом действия внутренней отрицательной обратной связи в объекте (результатом влияния выходной величины объекта на приток или сток вещества или энергии). Чем больше величина самовыравнивания, тем меньше отклоняется управляемый параметр от состояния равновесия, имевшего место до возмущающего воздействия. Самовыравнивание способствует стабилизации управляемой величины в объекте и, таким образом, облегчает работу управляющего устройства. Объекты с отрицательным самовыравниванием (неустойчивые) В объектах с отрицательным самовыравниванием (неустойчивых объектах) изменение выходного параметра, вызванное возмущающим воздействием, приводит к еще большему неравенству между притоком и стоком вещества или энергии, что в свою очередь вызывает дальнейшее изменение выходной величины с постепенно увеличивающейся скоростью. 1.2.3. Запаздывание Транспортное запаздывание Свойство объектов, проявляющееся в том, что между моментом нарушения равновесия (входным воздействием) и началом изменения выходной величины проходит некоторое время, называют запаздыванием. Запаздывание затрудняет регулирование процесса, и с ним нельзя не считаться. Во многих системах автоматического управления (регулирования) приходится иметь дело со значительным запаздыванием, возникающим из-за транспортировки вещества, энергии через трубопроводы или иные элементы оборудования. Запаздывание такого типа носит название транспортного запаздывания. Замечание Запаздывание может появляться в результате использования в системе регулирования периодически действующих приборов, таких как газовый хроматограф, или цифровая вычислительная машина, включенная в цепь обратной связи. Если время транспортного запаздывания составляет, то выходной сигнал в течениепосле изменения входного сигнала остается неизменным. 2. ЗАДАЧИ СИНТЕЗА РЕГУЛЯТОРОВ При исследовании системы автоматического управления обычно решают одну из двух задач: анализа и синтеза. При анализе структура и параметры САУ известны, а требуется определить ее поведение в заданных условиях (например, определить переходные характеристики САУ). При синтезе для заданного объекта управления требуется построить такое управляющее устройство (УУ), при котором система удовлетворяет заданным требованиям к качеству управления. Обе поставленные задачи в значительной степени связаны между собой и имеют много общего. В задачу синтеза входит выбор структуры и параметров УУ (регулятора), которые обеспечивают: устойчивость САУ; необходимую точность воспроизведения задающего воздействия и компенсацию возмущающих воздействий; заданное качество переходного процесса. 3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ 3.1. Пропорциональный закон регулирования Пропорциональным называют линейный закон регулирования, отражающий прямо пропорциональную зависимость между изменением управляющего воздействия и погрешностью регулирования:  где— коэффициент усиления, являющийся параметром настройки пропорционального регулятора. Примечание В промышленных П-регуляторах параметр настройки часто представляют в виде величины D, обратной коэффициенту усиления и выраженной в процентах:  Величину Dназывают диапазоном пропорциональности или полосой пропорциональности. Она показывает, какому отклонению управляемой величины (в процентах от диапазона измерения датчика) соответствует перемещение затвора регулирующего органа из одного крайнего положения в другое. 3.2. Интегральный закон регулирования Управляющее воздействие, формируемое интегральным регулятором, пропорционально интегралу по времени от ошибки регулирования:  где— изменение управляющего воздействия;— ошибка регулирования; — постоянная времени интегрирования. Постоянная времени интегрирования является параметром настройки И-регулятора. Изменяя , можно изменять воздействие регулятора на объект регулирования. Замечание Иногдаопределяют как время изменения выходной величины на 1 % при отклонении входной величины от заданного значения на 1 %. Интегральный закон регулирования можно записать в другой форме:  из которой видно, что скорость изменения регулирующего воздействия пропорциональна ошибке. 3.3. Пропорционально-интегральный закон регулирования Для использования преимуществ пропорционального и интегрального регулирования в системах автоматического регулирования широко применяются регуляторы, формирующие одновременно пропорциональную и интегральную составляющие. Такие регуляторы называются пропорционально-интегральными (ПИ-регуляторами). Взаимосвязь между ошибкой регулирования и управляющим воздействием, формируемым ПИ-регулятором, описывается уравнением  Параметрами настройки ПИ-регулятора являются: коэффициент усиления (пропорциональности)и постоянная времени интегрированияили время изодрома Структурную схему ПИ-регулятора можно представить в виде параллельного соединения пропорционального и интегрирующего звеньев (рис. 53, а). Другая возможная структура ПИ-регулятора — со взаимозависимыми параметрами настройки — приведена на рис. 53, б. В регуляторах такого типа при настройке коэффициента усиления регулятораизменяется и постоянная времени интегрирования  Рис. 53. Структурная схема ПИ-регулятора: а — с независимыми параметрами настройки; б — с взаимозависимыми параметрами настройки Передаточная функция ПИ-регулятора  Замечание Если при настройке ПИ-регулятора установить очень большую величину постоянной времени интегрирования , то его действие будет аналогично действию П-регулятора, если установить очень малые значения— действию И-регулятора. 3.4. Пропорционально-дифференциальный закон регулирования Качество регулирования в ряде случаев можно повысить, вводя в закон регулирования составляющую, пропорциональную первой производной (скорости изменения) входной величины регулятора, т. е. Д-составляющую. ПД-закон регулирования определяется функциональной зависимостью  Постояннуюназывают временем предварения  Поскольку для ПД-регулятора, как и для П-регулятора, ему присущ недостаток — статическая погрешность. Структурную схему ПД-регулятора можно представить в виде параллельного соединения статического звена нулевого порядка и идеального дифференцирующего (рис. 57), формирующих две составляющих управляющего воздействия: П-составляющую и Д-со-ставляющую.  Рис. 57. Структурная схема ПД-регулятора 3.5. Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования ПИД-закон регулирования включает в себя три вида управляющих воздействий: пропорциональное, интегральное, дифференциальное:  Структурная схема ПИД-регулятора может быть представлена в виде параллельного соединения трех звеньев: статического звена нулевого порядка, идеального интегрирующего звена и идеального дифференцирующего (рис. 61).  Рис. 61. Структурная схема ПИД-регулятора Параметрами настройки ПИД-регулятора являются: — коэффициент усиления; — время изодрома; — время предварения. Вполне очевидно, что ПИД-закон регулирования является наиболее совершенным по сравнению с другими законами регулирования. Если время изодрома увеличить до бесконечности  , а время предварения уменьшить до нуля , то действие ПИД-регулятора будет аналогично действию П-регулятора (ПИД-регулятор при аналогичен ПИ-регулятору, а при аналогичен ПД-регулятору).3.6. Позиционные регуляторы По сравнению с линейными алгоритмами (линейными законами регулирования) нелинейные алгоритмы распространены в меньшей степени. Из нелинейных алгоритмов регулирования наиболее употребительны алгоритмы с релейной статической характеристикой: двухпозиционный и трехпозиционный. Автоматические регуляторы, у которых при непрерывном изменении входной величины регулирующий орган занимает ограниченное число определенных, заранее известных, положений, называются позиционными. Входной величиной позиционного регулятора, как и выше разобранных регуляторов, является рассогласованиемежду заданными текущим у значениями регулируемой величины  , а выходной — управляющее воздействие. Такие регуляторы можно отнести к группе регуляторов дискретного действия.3.6.1. Двухпозиционные регуляторы Выходная величина двухпозиционного регулятора может принимать только два значения: минимальное или максимальное. Для работы логического устройства в режиме двухпозиционного регулятора требуется выходное устройство ключевого типа (электромагнитное реле, транзисторная оптопара или оптосимистор), которое используется для управления (включение-выключение) нагрузкой или непосредственно, или через более мощные элементы, такие как пускатели, твердотельные реле, тиристоры или симисторы. Область применения двухпозиционного регулятора: для регулирования технологических параметров в инерционных объектах с большой емкостью и малым запаздыванием, когда не требуется особой точности; для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы. 3.6.2. Трехпозиционные регуляторы У трехпозиционных регуляторов помимо двух крайних положений (открыто и закрыто) регулирующий орган имеет еще одно — промежуточное (среднее) положение, что способствует более плавному изменению регулируемой величины и сокращению числа срабатываний регулирующего органа в единицу времени. Алгоритм трехпозиционного регулирования имеет вид:  Трехпозиционный регулятор срабатывает при двух пороговых значенияхи. Если регулируемая величина находится между этими значениями, а именно в пределах зоны нечувствительности, которую можно определить как  выходная величина принимает значение 0. При выходе из зоны нечувствительности за пороговые значенияиливыходная величина трехпозиционного регуляторамгновенно (скачкообразно) перемещается в положение или положение . Статические характеристики трехпозиционных регуляторов, как и двухпозиционных, могут иметь зону неоднозначности (см. рис. 4.66). Преимущество трехпозиционного регулирования перед двухпозиционным: возможность прекращения автоколебательного процесса и достижение равновесного состояния, если регулируемая величина находится в пределах зоны нечувствительности, т. е. если соблюдается неравенство 1.1. Регулирование основных технологических параметров Основные технологические параметры, характеризующие химико-технологические процессы — это расход, уровень, давление, температура, рН, а также параметры качества: концентрация готового продукта и его физико-химические свойства (плотность, вязкость, влажность и др.). 1.1.1. Регулирование расхода При регулировании расхода нужно учитывать некоторые особенности, не присущие обычно системам регулирования других технологических параметров. Первая особенность — небольшая (обычно пренебрежимо малая) инерционность объекта регулирования, который представляет собой, как правило, участок трубопровода между первичным измерительным преобразователем для измерения расхода и регулирующим органом. После перемещения штока регулирующего органа в новое положение новое значение расхода устанавливается за доли секунды или, в крайнем случае, за несколько секунд. Это означает, что динамические характеристики системы определяются главным образом инерционностью измерительного устройства, регулятора, исполнительного устройства и линией передачи сигнала (импульсных линий). Вторая особенность проявляется в том, что сигнал, соответствующий измеренному значению расхода, всегда содержит помехи, уровень которых высок. Частично шум представляет собой физические колебания расхода, частота которых настолько велика, что система не успевает на них реагировать. Наличие высокочастотных составляющих в сигнате изменения расхода — результат пульсаций давления в трубопроводе, которые в свою очередь являются следствием работы насосов, компрессоров, случайных колебаний расхода, например, при дросселировании потока через сужающее устройство. Поэтому при наличии шума, чтобы избежать усиления в системе случайных возмущений, следует применять малые значения коэффициента усиления регулятора. Рассмотрим объект регулирования расхода — участок трубопровода 1, расположенный между местом измерения расхода (местом установки первичного измерительного преобразователя, например диафрагмы 2) и регулирующим органом 3 (рис. 1). Длина прямого участка трубопровода определяется правилами установки нормальных сужающих устройств и регулирующих органов и может составить несколько метров. Динамику объекта (трубопровода) — канала расход вещества через регулирующий клапан—расход вещества через расходомер — можно представить статическим зве-  Рис. 1. Фрагмент системы регулирования расхода. ном первого порядка с транспортным запаздыванием. Значение постоянной времени составляет несколько секунд; время транспортного запаздываниядля газа — доли секунды, для жидкости — несколько секунд. Поскольку инерционность объекта при регулировании расхода незначительна, к выбору технических средств управления и методов расчета АСУ предъявляются повышенные требования. Большинство современных первичных измерительных преобразователей расхода возможно рассматривать как статические звенья нулевого порядка, а исполнительное устройство (исполнительный механизм вместе с регулирующим органом) — как статическое звено первого порядка с постоянной времени Т в несколько секунд. Для повышения быстродействия пневматического исполнительного устройства применяют позиционеры. Пневматические линии связи представляют статическим звеном первого порядка с транспортным запаздыванием (постоянная времени Т и время транспортного запаздывания определяются длиной линии связи и составляют несколько секунд). Если расстояния между функциональными элементами системы управления велики, то по длине импульсной линии устанавливают дополнительные усилители мощности, чтобы увеличить быстродействие системы. В системах регулирования расхода применяют различные способы изменения расхода: дросселирование потока вещества через регулирующий орган (клапан, заслонка, шибер и др.), установленный на трубопроводе; изменение угловой скорости вращения рабочего вала насоса или вентилятора; байпасирование потока (под байпасированием понимается переброс части вещества из основной магистрали в обводную линию). 1.1.2. Регулирование устройств для перемещения жидкостей и газов Для транспортировки жидкостей по трубопроводам часто применяют центробежные и поршневые насосы, для транспортировки газов — вентиляторы, газодувки, центробежные компрессоры и др. Цель регулирования работы насосов, вентиляторов, компрессоров — поддержать их заданную производительность. Рассмотрим для примера схему регулирования расхода, создаваемого центробежным насосом (рис. .2). Датчик расхода 2 устанавливается после центробежного насоса 1 на линии нагнетания перед регулирующим клапаном 4. При отклонении расхода жидкости от заданного значения регулятор 3 формирует командный сигнал, в соответствии с которым исполнительный механизм перемещает затвор регулирующего клапана 4. Проходное сечение регулирующего клапана изменяется, что приводит к изменению суммарного сопротивления гидравлической линии и, следовательно, расхода жидкости. Замечание Устанавливать первичный измерительный преобразователь, например диафрагму, на линии всасывания центробежного насоса не рекомендуется: дросселирование потока через диафрагму может вызвать кавитацию в насосе, приводящую к его быстрому износу, снижению производительности и напора насоса. Предложенный вариант регулирования расхода жидкости не применим, если для перемещения жидкости используют поршневой  Рис. 2. Схема регулирования расхода, создаваемого центробежным насосом: 1 — насос; 2 — датчик расхода; 3 — регулятор расхода; 4 — регулирующий клапан  Рис. 3. Схема регулирования расхода, создаваемого поршневым насосом. насос: по команде регулятора регулирующий клапан может полностью закрыться, что, в конечном итоге, приведет к разрыву трубопровода. Если регулирующий клапан установить на линии всасывания поршневого насоса, то это приводит к помпажу. Тогда для регулирования расхода используют байпасирование потока (рис. 3): часть жидкости перепускают из нагнетательной линии во всасывающую линию. Таким же способом регулируют производительность шестеренчатых и лопастных насосов. Примечание Неустойчивая работа насоса, характеризуемая частой сменой режимов работы и гидравлическими ударами, носит название помпаж. Производительность центробежных компрессоров стабилизируют системами регулирования с регулирующим клапаном, установленным на линии всасывания, и противопомпажной автоматической защитой (рис. 4). Для защиты применяется система сброса части сжатого газа в ресивер, уменьшая при этом расход сжатого газа в линии потребителя. В случае приближения режима работы компрессора к области помпажа, регулятор расхода открывает регулирующий клапан, установленный на линии нагнетания к ресиверу. Это приводит к увеличению производительности компрессора, снижению давления в нагнетательной линии, повышению давления во всасывающей линии, что предотвращает помпаж компрессора. Регулирование соотношения расходов двух веществ Существует несколько вариантов регулирования соотношения расходов двух веществ. Первый вариант (рис. 5). Суммарный расход двух веществ не задан, при этом расход одного из веществ может меняться произвольно. Назовем этот расход «ведущим». Расход второго веществаназовем «ведомым». Соотношение между расходами второго  Рис. 4. Схема регулирования производительности центробежного компрессора с противопомпажной защитой: / — компрессор; 2 — датчики расхода; 3 — регуляторы; 4 — регулирующие клапаны  Рис. 5. Схема регулирования соотношения расходов при произвольной нагрузке: 1,2 — датчики расхода; 3 — регулятор соотношения расходов; 4 — регулирующий клапан и первого вещества должно быть постоянным и равным п. Следовательно, «ведомый» расход равен  Второй вариант (рис. 6). Заданы: соотношение расходов двух веществ и ведущий расход. Помимо регулирования соотношения расходов двух веществ применяют дополнительно еще регулирование «ведущего» расхода. При таком регулировании изменение задания по «ведущему» расходу автоматически изменяет и «ведомый» расходв заданном соотношении с Третий вариант (рис. 7). При заданном «ведущем» расходе регулирование соотношения расходов двух веществ проводится с коррекцией по третьему технологическому параметру. Регулирование соотношения расходов двух веществ является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра, например, уровня в реакторе-смесителе /. Заданный коэффициент соотношения расходов двух веществ устанавливается внешним регулятором уровня 6 в зависимости от третьего параметра.  Рис. 6. Схема регулирования соотношения расходов при заданной нагрузке: 1,2 — датчики расхода; 3 — регулятор соотношения расходов; 4 — регулятор расхода; 5, 6 — регулирующие клапаны  Рис. 7. Схема регулирования соотношения расходов с коррекцией по третьему параметру (уровню) при заданной нагрузке: 1 — реактор-смеситель; 2, 3 — датчики расхода; 4— регулятор соотношения расходов; 5— регулятор расхода; 6 — регулятор уровня; 7,8—регулирующие клапаны; 9 — датчик уровня Замечание Особенность настройки каскадных САУ заключается в том, что на задание внутреннему регулятору (в данном случае регулятору соотношения расходов двух веществ) устанавливается ограничение:  где— нижнее и верхнее соотношения расходов веществ соответственно. Если выходной сигнал внешнего регулятора (регулятора уровня) выходит за пределы  , то задание внутреннему регулятору (в данном случае регулятору соотношения расходов двух веществ) не меняется, а остается на предельно допустимом значении п (а именно илиили).О выборе регуляторов расхода Требуемое (заданное) качество переходных процессов предопределяет выбор законов управления. Для регулирования расхода без установившейся (статической) погрешности в одноконтурных системах управления применяют ПИ-регуляторы. Если система управления расходом является внутренним контуром двухконтурной каскадной системы управления, то в качестве регулятора расхода может использовать П-регулятор. Замечание В промышленных САР расхода не рекомендуется применять ПД- или ПИД-регуляторы. Если в сигнале изменения расхода присутствуют высокочастотные сигналы (помехи), то использование Д-составляюших в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала расхода может вызвать неустойчивую работу системы управления. 1.1.3. Регулирование уровня Постоянство уровня жидкости в технологическом аппарате означает сохранение материального баланса, т. е. приток жидкости равен ее стоку, а скорость изменения уровня равна нулю:  Замечание Понятия «приток» и «сток» рассматриваются как обобщенные понятия. Уровень жидкости в аппарате можно регулировать, применяя различные схемы регулирования. Первый вариант (рис. 8) — регулирование «на притоке», изменяя расход жидкости на входе в аппарат. Второй вариант (рис. 9) — регулирование «на стоке», изменяя расход жидкости на выходе из аппарата. Третий вариант (рис. 10) — регулирование соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по третьему технологическому параметру — уровню (каскадная система регулирования). Если в аппарате (испарителе, конденсаторе, ректификационной колонне и т. п.) имеют место фазовые превращения веществ, тогда уровень является характеристикой и гидродинамических, и тепло-массообменных процессов. Приток и сток должны учитывать фазовые превращения веществ. В этом случае уровень регулируют изменением расхода теплоносителя, например греющего пара или хладагента (рис. 11). В указанных аппаратах уровень связан с другими технологическими параметрами, например давлением. Естественно, в каждом конкретном случае система регулирования уровня реализуется с учетом других контуров регулирования.  Рис. 8. Схема непрерывного регулирования уровня «на притоке»: / - аппарат; 2 - регулятор уровня; 3- регуегулируюший клапан Рис. 9. Схема непрерывного регулирования уровня «на стоке».  |