Автоматические системы регулирования

При расчетах запаздывание в объектах учитывают посредством последовательного  введения звена запаздывания в соответствующий  канал прохождения сигнала в  объекте.

 

 

    

 

а)      б)

Рис. 8. переходные характеристики объектов с запаздыванием 1-го (а) и 2-го (б) порядков: 1, 3 – нейтральные объекты; 2,4 – устойчивые объекты.

На рис. а) показаны переходные характеристики нейтрального (1) и устойчивого (2) объектов 1-го порядка с запаздыванием. От характеристик без запаздывания они отличаются наличием начального участка длительностью r, в течение которого выходная величина объекта не изменяется. (Величину r называют также транспортным запаздыванием). Уравнение движения этих объектов соответственно имеют вид:

 

                               (12)

                      (13)

 

На рис. б) даны переходные характеристики нейтрального (3) и устойчивого (4) объектов 2-го порядка с запаздыванием. При расчетах АСР переходные характеристики  объектов 2-го порядка с запаздыванием иногда представляют в виде переходных характеристик объектов 1-го порядка с запаздыванием. При этом инерционные свойства объектов 2-го порядка частично отражают дополнительной величиной запаздывания, называемого переходным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Структурные  схемы объектов 1-го (а) и 2-го (б) порядков с запаздыванием: 1,3 – нейтральные  объекты; 2,4 – устойчивые объекты.

 

Влияние свойств  объектов на их регулирование.

Свойства объектов оказывают  существенное влияние на выбор закона регулирования и качество переходного процесса АСР.

Емкость объекта влияет на выбор типа регулятора. Чем она меньше, т.е. чем больше скорость изменения выходной величины объекта при данном изменении нагрузки, тем большую степень воздействия на объект должен иметь регулятор.

Влияния самовыравнивания объекта аналогично действию автоматического регулятора. Так, нейтральные объекты, не обладающие самовыравниванием, самостоятельно не обеспечивают устойчивой работы и требуют обязательного применения автоматических регуляторов. Причем, не каждый регулятор может справится с задачей управления такими объектами. Например, применение интегрального регулятора на нейтральном объекте не позволяет получить устойчивой работы системы.

Таким образом, отсутствие самовыравнивания в объектах усложняет задачу регулирования, а его наличие облегчает задачу поддержания выходной величины объекта на заданном значении. Чем выше степень самовыравнивания, тем более простыми методами можно обеспечить требуемое качество регулирования.

Наличие запаздывания в АСР усложняет задачу регулирования технологической величины в объекте. Поэтому необходимо стремиться к его уменьшению.

 

Методы определения  свойств объектов.

Свойства объектов определяют аналитическим, экспериментальным  и экспериментально-аналитическим методами.

Аналитический метод заключается в составлении математического описания объекта, при котором находят уравнение статики и динамики на основе теоретического анализа физических и химических процессов, протекающих в исследуемом объекте, и с учетом конструкции аппаратуры и характеристик перерабатываемых веществ. При выводе этих уравнений используются фундаментальные законы сохранения вещества и энергии, а так же кинетические закономерности процессов химических превращений, переноса тепла и массы.

Аналитический метод  применяют при проектировании новых  технологических объектов, физико-химические процессы которых достаточно хорошо изучены. Он позволяет прогнозировать работу объектов в статическом и  динамическом режимах, однако сопряжен с трудностью решения и анализа составленных уравнений и требует проведения специальных исследований для определения численных значений коэффициентов этих уравнений.

Экспериментальный метод состоит в определении характеристик реального объекта путем постановки на нем специального эксперимента. Метод достаточно прост, обладает малой трудоемкостью, позволяет достаточно точно определить свойства конкретного объекта. Вместе с тем, он требует оснащения изучаемого объекта экспериментальной аппаратурой и проведения специальных исследований. При экспериментальном методе невозможно выявить функциональные связи между свойствами перерабатываемых и получаемых веществ, режимными показателями технологического процесса и конструктивными характеристиками объекта. Этот недостаток не позволяет распространить на другие доступные объекты результаты, полученные экспериментальным методом.

Экспериментально  – аналитический метод заключается в составлении уравнений путем анализа явлений, происходящих в объекте, при этом численные значения коэффициентов полученных уравнений определяются экспериментально на реальном объекте. Являясь комбинацией аналитического и экспериментального способов определения свойств объектов, этот метод учитывает их преимущества и недостатки.

 

Экспериментальное определение свойств объекта.

 В инженерной практике  свойства промышленных объектов (химические реакторы, ректификационные  колонны, абсорберы и др.) обычно  выявляют экспериментальным путем.  Ч этой целью объект оснащает  аппаратурой для несения входных типовых возмущений и определения его ответной реакции во времени. При этом предусматривают: планирование и подготовку эксперимента, проведение эксперимента с целью нахождения временных или частотных характеристик и обработку полученных экспериментальных зависимостей.

Снятие временных  характеристик поводят на реальном объекте, оснащенном аппаратурой в соответствии со схемой, приведенной на рис. 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Схема установки  аппаратуры

для определения временных (частотных)

характеристик объекта                              

1 – панель дистанционного  управления;

2 – исполнительное  устройство;                                 

3 – исследуемый объект;

4,6 – измерительные  преобразователи

вых. и входной величин  соответственно;              

5 – вторичный регистрир. прибор

 

 

 

 

а)                                            б)                                              в)

 

 

 

 

 г)                                                                    д)

Рис. 11. Ступенчатое возмущение (а) и кривые разгона для одноемкостных (б, в) и двухемкостных (г, д) объектов регулирования:

б, г – нейтральных; в, д – устойчивых

Все измерительные преобразователи и исполнительные устройства обычно относят к объекту. Быстродействие всех элементов используемой аппаратуры в целом должно значительно превышать быстродействие объекта.

Для снятия временных  характеристик объект исследования приводят в равновесное состояние, а затем с помощью панели дистанционного управления и исполнительного устройства наносят на вход объекта возмущающее  воздействие известной формы (ступенчатое или импульсное). Реакция объекта на это возмущение (кривая разгона или импульсная характеристика) регистрируется в координатах: вых.вел-на-время.

Снятие кривой разгона предусматривает нанесения на объект ступенчатого возмущения путем энергичного изменения степени открытия проходного сечения регулирующего органа; при этом отмечают величину и момент нанесения возмущения. Изменение выходной величины регистрируют до тех пор, пока объект не примет нового установившегося значения (объект устойчивый) или пока скорость изменения выходной величины не станет постоянной (нейтральный объект).

Кривые разгона обычно определяют на действующим (находящимся  в промышленной эксплуатации) объекте, изменяя его входную величину на несколько процентов. Использование такого сравнительно небольшого возмущения обусловлено тем, что реакция объекта не должна выходить за пределы ограничений, установленных технологическими соображениями.

Снятие импульсной характеристики предусматривает нанесение на объект импульсного возмущения последовательного в виде двух ступенчатых возмущений, равных по величине, но противоположных по направлению, с интервалом во времени Δt. Изменение выходной величины регистрируется до тех пор, пока скорость ее изменения не станет равной нулю. При этом выходная величина может принять тоже значение, что и до нанесения возмущения (устойчивый объект) или другое значение (нейтральный объект).

Импульсную переходную характеристику снимают в случае, если продолжительное ступенчатое  возмущение приводит к нарушению нормального режима работы объекта, вследствие отклонения регулируемой величины от допустимых значений.

Если объект имеет  несколько входных, то во время снятия временных характеристик по определенному  каналу необходимо следить за постоянством остальных величин, поскольку их изменение может привести к дополнительному нежелательному изменению интересующей нас выходной технологической величины.

По экспериментально полученной переходной характеристике объекта можно определить свойства, которыми он обладает, а также оценить эти свойства.

 

Аппроксимация переходных характеристик объектов.

Определение по кривой разгона  свойств нейтрального и устойчивого  объектов 1-го порядка с запаздыванием  при ступенчатом возмущении Xb показано на рис.11 (а, б, в).

В первом приближении  объекты 2-го порядка можно аппроксимировать двумя последовательно соединенными звеньями. Нейтральные объекты 2-го порядка аппроксимируют звеном запаздывания и нейтральным звеном 1-го порядка, а устойчивые объекты 2-го порядка  – звеном запаздывания и апериодическим звеном 1-го порядка.

При аппроксимации нейтрального объекта 2-го порядка с запаздыванием (рис.11, г) через ту часть его кривой разгона, где выходная величина изменяется с постоянной скоростью, проводят наклонную  прямую до пересечения с осью абсцисс и принимают, что выходная величина объекта изменяется сначала по горизонтальной, а затем по вновь проведенной наклонной прямой. Время запаздывания t и время разгона Tε такого объекта определяют по графику. При аппроксимации устойчивого объекта второго порядка с запаздыванием (рис.11, д) через точку перегиба Е его кривой разгона проводят касательную до пересечения с осью абсцисса в точке В и принимают, что выходная величина объекта изменяется по ломанной кривой ОВЕ и далее по кривой разгона. Время запаздывания t и постоянную времени объекта Т0 находят по графику: t = ОВ; T0 = ВД.

Именно такую аппроксимацию  объектов обычно применяют для определения  их свойств в численном выражении  с целью последующего нахождения оптимальных значений настроечных параметров регуляторов.

 

Автоматизированные  системы управления технологическими

процессами (АСУТП)

Общие сведения

В 60-е годы основное внимание было уделено созданию локальных  систем, обеспечивающих автоматизацию  простейших функций управления технологическими процессами: централизованный контроль, противоаварийную защиту, регулирование (стабилизацию или изменение по заданной программе) основных технологических параметров. В 60-е и последующие годы все вновь строившиеся и реконструированные химические производства с непрерывными технологическими процессами были оснащены системами автоматизации.

К середине 60-х годов  определились основные направления  развития химической технологии, которые  сохранились до начала 90-х годов: интенсификация технологических процессов, проведение их в режимах, близких к критическим, применение  агрегатов большей единичной мощности.

Развитие химической технологии потребовало создания гораздо  более совершенных систем управления, чем локальные системы автоматизации. Эти принципиально новые системы получили название автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

Создание АСУТП, необходимость  в которых была вызвана объективными потребностями развития промышленности, стало возможно благодаря внедрению  отечественных ЭВМ второго поколения (построенных на полупроводниках, в отличие от ЭВМ первого поколения, в которых использовались электронные лампы). Увеличение вычислительных ресурсов и повышение надежности ЭВМ позволило использовать их для управления технологическими процессами в «реальном времени», т.е. в едином темпе с развитием управляемого процесса.

 

Определения.

Совокупность технологического оборудования и реализуемого на нем  технологического процесса является технологическим объектом управления (ТОУ).

Человеко – машинную систему, обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой  для оптимального управления в различных  сферах человеческой деятельности, называют автоматизированной системой управления (АСУ).

АСУТП называют АСУ для выработки и реализации управляющих воздействий на ТОУ в соответствии с принятым критерием управления – показатели, характеризующим качество работы ТОУ и принимающим определенные значения, в зависимости от используемых управляющих воздействий.

Совокупность совместно функционирующих ТОУ и АСУТП образует автоматизированный технологический комплекс (АТК).

АСУТП отличаются от локальных  систем автоматизации более совершенной  организацией потоков информации; практически  полной автоматизацией процессов получения, обработки и представления информации; возможностью активного диалога оперативного персонала с УВМ в процессе управления для выработки наиболее эффективных решений; более высокой степенью автоматизации функций управления, включая пуск и остановку производства.