19 Технологический процесс как объект управления.

Технологический процесс представляет собой совокупность операций по обработке или превращению сырья, реализованных на специальном оборудовании с целью получения продукта с заданными потребительскими свойствами. Любой технологический процесс характеризуется набором параметров, по значениям которых можно судить о его протекании. Чаще всего в химической промышленности такими параметрами являются температура, давление, расход вещества и энергии, уровень и т.д.

Теоретически при разработке техпроцессов предполагается, что они протекают в стационарном режиме, т.е. их параметры с течением времени не изменяются. В действительности стационарный режим обеспечить невозможно вследствие изменения характеристик сырья, свойств оборудования и т.д. Поэтому для обеспечения нормального протекания техпроцесса им нужно управлять. Таким образом, объект управления – аппарат (совокупность аппаратов), оборудование или производственная система, качественные и количественные характеристики которых (выходные параметры) могут изменяться во времени под воздействием входных воздействий.

К входным воздействиям относят возмущающие воздействия Z и регулирующие воздействия Xр Возмущения – самопроизвольно изменяющиеся параметры. Различают внутренние и внешние возмущения. Внутренние – возникают внутри объекта следствие изменения параметров оборудования: образование накипи, разрушение футеровки, засорение трубопроводов. Внешние – поступают в объект извне. Они наиболее опасны, т.к. их амплитуда и направление действия непредсказуемы и, кроме того, они могут изменяться с высокой скоростью, что значительно усложняет управление. Одним из существенных возмущений является изменение нагрузки объекта. Под нагрузкой объекта понимают количество вещества (или энергии), которое проходит через объект в единицу времени. Так, нагрузкой резервуара является расход протекающей через него жидкости, нагрузкой теплообменника – количество тепла, передаваемого в единицу времени oт более нагретого вещества к более холодному и т.д.

Регулирующее воздействие – целенаправленное изменение входных материальных или тепловых потоков с целью поддержания выходных параметров на заданном уровне или изменения их по некоторому закону с целью обеспечения оптимального технологического режима.

Число входных величин объекта обычно превышает число выходных.

Свойства объектов. В процессе работы объект регулирования и управляющее устройство оказывают друг на друга взаимное влияние. Поэтому свойства объекта необходимо знать при составлении схемы автоматизации, выборе закона регулирования и определении оптимальных значений его настроечных параметров. Правильный учет свойств объектов позволяет создавать АСР, имеющие высокие показатели качества переходного процесса; недооценка же свойств объектов может привести к тому, что даже сложные схемы регулирования не смогут обеспечить требуемого качества переходного процесса. Основными свойствами объектов регулирования являются самовыравнивание, емкость и запаздывание.

Самовыравнивание - свойство объекта самостоятельно устанавливаться в равновесное состояние после изменения вход ной величины. Самовыравнивание характеризует устойчивость объекта. В объектах с самовыравниванием ступенчатое изменение входной величины приводит к изменению выходной величины со скоростью, постепенно уменьшающейся до нуля, что связано с наличием внутренней отрицательной обратной связи. Количественно эта характеристика определяется степенью самовыравнивания ρ, под которой понимают отношение изменения входной величины объекта (х, z) к изменению выходной величины по достижении объектом равновесного состояния у_∞:

.

Чем больше степень самовыравнивания, тем меньше отклонение выходной величины от первоначального положения.

Емкость объекта – степень влияния входной величины на скорость изменения выходной. Даже ступенчатое изменение входной величины (бесконечно высокая скорость) приводит к изменению выходной величины объекта с конечной скоростью. Под емкостью понимают такое изменение входной величины, которое приводит к изменению его выходной величины на единицу за единичный отрезок времени:

.

Чем больше емкость, тем меньше скорость изменения выходной величины объекта, и наоборот.

Запаздывание выражается в том, что его выходная величина начинает изменяться не сразу после нанесения возмущения, а только через некоторый промежуток времени τ, называемый временем запаздывания. Все реальные объекты обладают запаздыванием, так как изменение потоков вещества или тепла распространяется в объектах с конечной скоростью и требуется время для прохождения сигнала от места нанесения возмущения до места, где фиксируется изменение выходной величины. Обозначив это расстояние через l, а скорость прохождения сигнала через v, выразим время запаздывания: τ = l / v. Примером объекта, обладающего чистым запаздыванием, является ленточный питатель сыпучего материала.

Влияние свойств объектов на их регулирование. Свойства объектов по-разному влияют на структуру системы управления и параметры регуляторов. Одни облегчают задачу, другие, наоборот, усложняют. Например, чем меньше емкость объекта, т. е. чем больше скорость изменения выходной величины объекта при данном изменении нагрузки, тем большую степень воздействия на объект должен иметь регулятор, и тем больше должно быть его быстродействие.

Самовыравнивание объекта аналогично действию автоматического регулятора и позволяет использовать регуляторы с любым законом регулирования. Чем выше степень самовыравнивания, тем более простыми методами можно обеспечить требуемое качество регулирования. В некоторых объектах самовыравнивание так велико, что для поддержания постоянного значения выходной величины объекта вообще не требуется установки регулятора.

Объекты, не обладающие самовыравниванием, требуют обязательного применения автоматических регуляторов. Причем, не каждый регулятор может справиться с задачей управления такими объектами. Например, невозможно применение интегрального регулятора, т.к. это не позволяет получить устойчивой работы системы.

Наличие запаздывания в АСР также усложняет задачу регулирования технологической величины в объекте и может привести к потере устойчивости. Поэтому необходимо стремиться к его уменьшению: устанавливать чувствительный элемент и исполнительное устройство системы как можно ближе к объекту регулирования, применять малоинерционные измерительные преобразователи и т. д.

Даже при оптимальных настройках регуляторов качество процессов регулирования тем хуже, чем больше и само запаздывание, и его отношение к постоянной времени объекта. В практике регулирования объектов с запаздыванием принято считать, что если отношение превышает η/Т = 0,2, то применение обычной непрерывной АСР со стандартным регулятором не обеспечит удовлетворительного качества регулирования. В тех случаях, когда к качеству переходных процессов в системе регулирования предъявляют высокие требования, целесообразно использовать специальные регуляторы или алгоритмы, обеспечивающие компенсацию чистого запаздывания.