Раздел 3. Простейшие технологические объекты и организация их автоматизированного управления

3.1 Простейшие технологические объекты и их виды.

Под понятием простейший технологический объект следует подразумевать управляемую подсистему первого иерархического уровия,содержащую: -аппарат и машину,выполняющую отдельную ТО(Приложение А) -входные или выходные ТС с их управляющими органами; -технические средства для измерения основного технологического параметра Хi(t),характеризующего протекание ТО и других необходимых параметров. Процедура и способ управления простейшим объектом определяется приемущественно следующими факторами : - типом технологического процесса, в состав которого входит рассматриваемый простейший объект управления; -способом осуществления ТО; -требуемым характером изменения траектории параметра Хi(t), на различных стадиях процесса, начиная с исходного состояния,устанавливаемым технологическим режимом в зависимости от потребления готовой продукции; -статическими и динамическими свойствами простейшего объекта по управляющие и возмущающих воздействий и т.д. В зависимости от способа осуществления ТО приведенное в Приложении А 1 оборудование можно подразделить на следующие виды; -аппарат и машина первого вида,в которых выполнение ТО по параметру Хi(t), происходит только за счёт энергии, сообщенной исходной рабочей среде её объектом-источником; -аппарат и машины второго вида,в которых выполнение ТО по параметру Хi(t),происходит толькоза счёт воздействия исходнуюрабочую среду дополнительного дневнего источника энергии (механической ,тепловой, электрической и т.д)

-аппарат и машины третьего вида,в которых выполнение ТО по параметру Хi(t), происходитза счёт испосредственного физико – химического взаимодействия двух или болееисходных рабочих сред.

Обобщенные макроструктуры ТО,осуществляемых аппаратами и машинами первого, второго,третьего видов представление на ресунке 3.1.

Где G1,P1,T1,Q1

Примечания

1 Некоторые аппараты, относящиеся к первому виду имеют две выходные ТС для различных рабочих сред, полученных в результате осуществления ТО.

2 Аппараты второго вида могут иметь дополнительную ТС для отвода отработанного энергоносителя.

TO

TO

TO

Э G3;P3;T3;Q3;

G 1; P1; G2; P2; G1; P1; G2; P2; G1; P1; G2; P2;

T1; Q1; T2; Q2; T1; Q1; T2; Q2 T1; Q1; T2; Q2;

а) б) в)

Рисунок 3.1-Примеры макроструктур ТО, осуществляемых аппаратами или машинами первого (а); второго (б) и третьего (в) видов.

В качестве основного параметра ТО-X_i(t) обычно выбирается один, характеризующий её главную цель, например, G₂ (P₂, T₂, Q₂). Кроме того для информационного обеспечения измеряются дополнительные параметры по исходным рабочим средам, источника энергии или по параметрам, характеризующих техническое состояние аппарата.

В соответствии с Приложением А1 к аппаратам первого вида относятся:

- закрытые сосуды для промежуточного аккумулирования жидких или твёрдых рабочих сред, протекание ТО осуществляется непрерывно или периодически и характеризуется величиной уровня рабочей среды, измеряемого непосредственно в аппарате;

- механические фильтры для жидких или газообразных рабочих сред, фильтрация исходной рабочей среды осуществляется непрерывно или периодически за счёт её прохождения через фильтрующий слой, отфильтрованные побочные материалы накапливаются в фильтрующем слое, протекание ТО характеризуется величиной разности давлений P₁-P₂ или Q₂;

- сепараторы (нефтегазосепаратор; сепаратор пылевоздушного потока непрерывного действия на мелкие и крупные фракции твёрдых частиц, протекание ТО характеризуется величинами массового расхода или весом отсепарированных материалов в выходных ТС;

- редукционные установки для понижения давления пара или газа, редуцирование давления осуществляется за счёт дросселирования исходной рабочей среды через определенную площадь F_ру проходного сечения установки, протекание ТО характеризуется величиной Р₂ в выходной ТС;

- преобразователи различных видов энергии или свойств рабочей среды (простейшая одноступенчатая турбина, преобразующая энергию пара или высокотемпературного газа в механическую энергию, протекание ТО характеризуется величиной крутящего момента М_кр или скорости вращения n выходного вала: простейший генератор переменного или постоянного тока, преобразующий механическую энергию в электрическую, протекание ТО характеризуется величинами электрической мощности N_г или частотой переменного тока ω или величиной напряжения U; преобразователи электрической энергии в механическую-приводные двигатели различных аппаратов, характеризующиеся величиной скорости вращения n выходного вала).

К аппаратам второго вида относятся:

- рекуперативные теплообменные аппараты для жидких и газообразных рабочих сред, осуществляющие операцию нагрева (охлаждения), операция осуществляется за счёт нагрева (охлаждения) исходной рабочей среды, циркулирующей по трубной системе, внешним теплоносителем, поступающим в корпус аппарата, протекание ТО характеризуется величиной Т₂ на выходе трубной системы;

- размольные машины или мельницы для твёрдых исходных рабочих сред (шаровая барабанная мельница, молотковая тангенциальная мельница), осуществляющие ТО фракционирования за счёт механической энергии, обеспечивающей, в первом случае, аксиальное вращение барабана, заполненного металлическими шарами, во втором случае, вращение ротора с подвесными билами; на вход в первом случае подается смесь твёрдый материал-воздух (жидкость), во втором случае твёрдый материал и дополнительная рабочая среда подаются раздельно, т.е. перед непосредственным размолом осуществляется предварительное смешивание указанных рабочих сред; рассмотренные ТО характеризуется параметрами, непосредственно или косвенно связанными с величиной степени загрузки аппарата твёрдым материалом (электрическая мощность N потребляемая приводным двигателем, перепад ΔР давления на барабане и т.д.);

- центробежные насосы и вентиляторы, осуществляющие операции сжатия (повышения давления или разряжения) жидких и газообразных рабочих сред за счёт подвода механической энергии к рабочему элементу аппарата, протекание ТО характеризуется величиной давления рабочей среды Р₂ на выходе аппарата.

К аппаратам третьего вида относятся:

- смешивающая камера непрерывного действия движущихся под давлением двух рабочих сред, причём расход полученной рабочей среды равен

G₂=G₁+G₃, протекание ТО характеризуется параметрами Q₂ или T₂;

- смешивающая ёмкость непрерывного или периодического действия двух рабочих сред с активатором, ТО характеризуется Q₂ или T₂;

- тарельчатый контактор или абсорбционная колонна для непосредственного взаимодействия двух рабочих сред, причём первая исходная рабочая среда движется по направлению сверху вниз, а вторая исходная рабочая среда движется противотоком снизу вверх; протекание ТО характеризуется величиной химического состава обработанной рабочей среды, принятой за конечной продукт данной ТО;

-деаэрационная колонна для выделения свободного кислорода из основного конденсата отработанного пара, принцип движения обрабатываемой рабочей среды аналогичен процессу обработки в тарельчатом контакторе.

4

4

Э δ3

δ1

2

1

3

2

1

3

2

1

3

X_i δ2 δ1 X_i δ1 X_i δ2

а) б) в)

Рисунок 3.2-Примеры микроструктур простейших объектов первого иерархического уровня управления

а) с аппаратами первого вида; б) с аппаратами второго вида;

в) с аппаратами третьего вида.

Где 1-оснавная ТО, выполняемая аппаратами первого,второго или третьего вида по параметру Х_j;

2-вспомогательная ТО подачи исходной рабочей среды, выполняемая отдельным управляющим органом или их простейшей системой;

3-вспомогательная ТО отвода (потребления) обработанной продукции, выполняемая аналогично отдельным управляющим органом или их простейшей системой;

4-вспомогательная ТО подачи энергии от дополнительного источника или второй исходной рабочей среды, выполняемая соответствующим упарвляющим органом;

,δ2,δ3 и Э совокупности количественного и количественных параметров,характеризующих соответственно исходную рабочую среду, энергию дополнительного источники и обработанную рабочую среду.

Примечания

1 Вспомогательные ТО 3, и 4 допустимо рассматривать как элементы данной системы или внешней системы.

2 Тип вспомогательной ТО (непрерывная или дискретная) определяется типом ТП.

Помимо состав и заимосвязи основной ТО и вспомогательных ТО микроструктура простейшего объекта отображает;

- источники воздействий на параметр Х_j и их направления (на рисунке 3.2 показаны стрелками);

- последовательность выполнения вспомогательных ТО при подготовке или осуществлении процесса;

- возможные варианты способов формирования управляющих воздействий на параметр Х_j.

Например, в соответствии с рисунком 3.2 (а) на параметр Х_j можно формировать управляющие воздействия одним из двух способов:

- изменением подачи исходной рабочей чреды (выполнением вспомогательной ТО-2) при произвольном потреблении обработанной рабочей среды;

- изменением потребления обработанной рабочей среды (выполнением вспомогательной ТО-3) при произвольной подаче исходной среды.

В соответствии с первым способом формирования воздействия на параметр Х_j на рисунке 3.3 представлена ПТС некоторой установки первого вида, а на рисунке 3.4-её структурная схема как объекта управления параметром Х_j.

Где 1-аппарат, выполняющий основную ТО;

2-произвольный управляющий орган на выходной ТС (А,В,С или D);

3-источник внешнего возмущения f_вн (выходная ТС).

В соответствии с курсом дисциплины ТАУ рисунок 3.4 отображает каналы прохождения на параметр Х_j управляющего U и внешнего возмущающего f_вн воздействий.

Рисунок 3.3-ПТС некоторой установки, выполняющей ТО

Рисунок 3.4-Структурная схема установки как обьекта управления параметром Х(t)

Если оба канала описать, например передаточными функциями W_f(p), то структурная схема математической модели рассматриваемой установки (согласно рисунку 3.4 как объекта управления параметром Х_j будет иметь вид,представленный на рисунке 3.5

Примечание-Выходной сумматор моделирует измерительное устройство параметра X(t).

Аналогично могут быть построены структурные схемы установок второго и третьего вида как объектов управления параметром Х_j в соответствии с их макроструктурами (рисунок 3.2 б и 3.2 в) и структурные схемы их математических Например. на рисунке 3.6 представлена структурная схема математической модели установки второго вида, а на рисунке 3.7 соответссвенно установки третьего вида.

Рисунок 3.5-Структурная схема математической модели технологической установки первого вида как объекта управления параметром Х(t).

Рисунок 3.6-Структурная схема математической модели технологической установки второго вида как объекта управления параметром Х(t).

Рисунок 3.7-Структурная схема математической модели технологической установки третьего вида как объекта управления параметром Х(t).

Вид передаточных функций по каналам управляющих и возмущающих воздействий определяется известными из курса МОСУ аналитическими методами или с использованием экспериментальной динамической характеристики[12].

Контрольные вопросы и задачи

3.2.1 Приведите микроструктуры простейших объектов управления с установками первого, второго и третьего видов.

3.2.2 Приведите структурные схемы математических моделей простейших объектов с установками первого, второго и третьего видов.

3.2.3 Что отображает макро и микроструктура простейшего объекта?

3.2.4 Составьте ПТС простиейшнго объекта, выполняющего ТО нагрева рабочей среды с указанем управляющих органов на входных выходных ТС по Вашему усмотрению и по полученной схеме составьте его макро и микроструктуры.

3.2.5 Составьте ПТС простиейшнго объекта, выполняющего ТО, по заданию преподавателя и пополученной схеме, составьте его макро и микроструктуры и структурную схему матиматической модели.