Д6590 Данин ВБ Автоматизированные комплексы

УДК 681.5

Данин В.Б., Каткова В.А. Пастухов А.С. Автоматизированные комплексы технологической подготовки производства: Учеб.-метод. пособие. СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2012. 56 с.

Рассматриваются методы и практические приемы системного анализа технологических объектов. Цель анализа состоит в подготовке алгоритмов управления технологическим объектом и моделировании системы управления рассматриваемого технологического объекта. Изложены методические указания по выполнению контрольных заданий и курсовому проектированию для студентов, обучающихся по специальности 220301 и направлениям бакалавриата и ма-

гистратуры 220200, 220700.

Рецензент: доктор техн. наук, проф. Г.А. Кондрашкова

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом Института холода и биотехнологий

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

© Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2012

© Данин В.Б., Каткова В.А., Пастухов А.С., 2012

ВВЕДЕНИЕ

Технологические процессы пищевых производств реализуются, как правило, в виде сложных технологических комплексов, включающих в себя взаимосвязанные различные аппараты и оборудование. Автоматизация таких аппаратов и оборудования требует этапа структур- но-параметрического анализа.

Параметрический анализ объекта управления или отдельного звена, входящего в структуру объекта, выполняется с целью определения всех параметров, подлежащих контролю или управлению по ходу реализации технологического процесса (операции). Объект управления находится под воздействием переменных факторов – возмущений, которые через объект вызывают отклонение качественного параметра ±∆Z(i) от нормативных значений.

При параметрическом анализе целесообразно выделить группу неуправляемых воздействий на объект Х(γ), где γ = 1…m – индекс неуправляемого воздействия, и группу управляемых воздействий Y(j), где j = 1…k – индекс управляемых воздействий.

Структурный анализ объекта проводится для определения внутренних связей между элементами технологического комплекса. При проведении структурного анализа сложный объект представляют в виде структурной схемы, состоящей из элементарных звеньев, связанных между собой параметрами Zn(i), Xn(γ), Yn(j), определяющими состояние каждого n-го звена, входящего в структурную схему [1].

В данном учебно-методическом пособии рассмотрены два возможных варианта объектов астатического типа: несбалансированный и сбалансированный объекты на основе бака-накопителя для пищевого предприятия.

Подробно разобрана последовательность анализа схем дозаторов и зависимости показателей качества от возмущающих воздействий Х(γ), что дает возможность получать различные виды переходных процессов, анализируя которые возможно рассчитать реально проектируемые объекты управления.

Для моделирования конкретного задания используется диск с программным обеспечением (прил. 1). Текст программы-шаблона REGAST2.bas, работающей в среде QBASIC. В преамбуле прил. 1 и в комментариях по тексту программы имеются пояснения о последовательности работы с программой.

3

Подготовленный шаблон можно использовать для формирования разгонных характеристик астатических объектов.

Программа также позволяет произвести на модели проверку результатов выбора параметров настройки функционального регулятора (ПИД) для заданного диапазона изменения производственных ситуаций. Вычисления по программе по методу численного интегрирования, обеспечивает формирование переходных характеристик системы автоматического регулирования при различных возмущениях и настройках регулятора.

Задания на выполнение самостоятельной и контрольной работ представлены в прил. 2, 3.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АСТАТИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

Рассмотрим свойства астатического объекта на примере емкости (бака), наполняемой и опорожняемой жидкостью (рис. 1, А). Численное значение регулируемого параметра z в таких объектах (уровень жидкости в баке h, м) не определяется однозначно численными значениями как возмущающего воздействия на объект x (отбор жидкости из бака g2, кг/с), так и управляющего воздействия на объект y (пополнение бака жидкостью, g1, кг/с).

Количество жидкости в баке G, кг:

G = ρ f h

где ρ – плотность жидкости, кг/м3; f – площадь сечения бака, м3; h – уровень жидкости в баке, м.

Отсюда

dG ρf dh . dτ dτ

Приращение количества жидкости в баке за промежуток време-

ни Δτ, с:

А. Параметрическая схема бака накопителя. Несбалансированный объект, если yp = gn то dz/d > 0 ; если yp = 0 то dz/d < 0

Б. Переходные характеристики объекта при g2 = const; yp = 1 (g1 = gn) и yp = 0 (g1 = 0)

Рис. 1. Анализ состояний несбалансированного астатического объекта

5

Из данного примера следует, что зависимость выходного параметра z от возмущения x и управляющего воздействия y для астатического объекта представляет собой дифференциальное уравнение вида:

Равновесное (статическое) состояние такого объекта в момент времени [τ] возможно только при условии:

dh

Для бака: ε(g1 g2 ) , dτ

где dh – скорость изменения уровня в баке, м/с; g1 – количество жид- d

кости, поступающей в бак за секунду, кг/с; g2 – количество жидкости,

данного объекта (константа), м/кг, ρ – плотность жидкости, кг/м3, f – площадь сечения бака, м2.

Инерционные свойства такого объекта определяются численным значением коэффициента ε. Так, для примера с баком аккумулятором является объем бака V = f h, при этом, чем больше f, тем с меньшей скоростью будет изменяться уровень жидкости в баке при той же разнице притока и оттока ∆g = g1 – g2.

Взависимости от технологической схемы и режимов работы астатического объекта различают несбалансированный объект (неустойчивое звено) и сбалансированный объект (интегрирующее звено).

Вкачестве примера анализа свойств астатического несбалансированного объекта при разработке системы регулирования (САР) рассматривается бак-накопитель в системе водоснабжения предприятия. Параметрическая схема объекта на рис. 1, А. На схеме обозначены регулируемый параметр z – уровень в баке, канал управления y – включение и отключение насоса подачи воды в бак, возмущения x – отборы воды из бака для технологических потребностей.

Астатические, несбалансированные объекты в диапазоне варьирования переменных z, x, y являются звеном неустойчивым.

6

На рис. 1, Б приведены переходные (разгонные) характеристики такого объекта. При появлении рассогласования ∆ = y – x выходной параметр z начинает нарастать или убывать в зависимости от знака и величины рассогласования вплоть до предельных значений.

Астатическими, несбалансированными объектами автоматизации является также следующее оборудование:

–холодильная камера для хранения или заморозки продуктов. Регулируемый параметр z – температура воздуха в камере, канал управления y – включение и отключение компрессора холодильной установки, возмущения x – теплопритоки в объем воздуха камеры (инерционное звено) из продукта, через ограждения и т.п.;

–ресивер в комплексе подготовки сжатого воздуха для технологического процесса. Регулируемый параметр z – давление воздуха, в объеме ресивера (инерционное звено), канал управления y – включение и отключение воздушного компрессора, заполняющего ресивер, возмущения x – отборы сжатого воздуха из ресивера для технологических потребностей;

–бак для нагревания и выдержки при заданной температуре партии жидкости с подводом энергии от электронагревателя (ТЭНа). Регулируемый параметр z – температура продукта в баке (объем жидкости в баке – инерционное звено), канал управления y – включение и отключение электропитания ТЭНа, возмущения x – частичная или полная замена объема нагретой жидкости в баке на холодную, а также потери тепла в окружающую среду.

Динамические свойства сбалансированного астатического объекта определяются также дифференциальными уравнениями вида

Особенностью сбалансированного объекта является возможность изменять управляющее воздействие y функционально в диапазоне варьирования y[τ] = y{ymin…ymax}, что позволяет получить на объекте статические (равновесные) состояния, при которых

Вывод объекта в равновесное состояние может осуществлять функциональный регулятор, формирующий управляющее воздействие y.

7

В качестве примера астатических сбалансированных объектов в пособии рассматривается бак дозатора жидких компонентов в технологических циклах (рис. 2, А, Б). Регулируемый параметр z – уровень жидкости в баке, канал управления y – величина закрытия клапана подачи жидкости в бак, возмущения x – отбор жидкости из бака для технологических нужд. Статическое состояние такого объекта в момент времени [τ]:

возможно только при балансе притока и оттока: g1[τ] – g2[τ] = 0, при этом численное значение уровня в баке h[τ ] может принимать любое значение из диапазона варьирования: h[τ] =h{hmin…hmax}, в том числе,

hmin – бак пуст, hmax – бак полный.

На рис. 2 приведены также переходные характеристики объекта (h = f(τ)) при различных сочетаниях возмущающих g2 и управляющих g1 воздействий: g1 > g2, g1 = g2 и g1 < g2. Переходные характеристики соответствуют характеристикам интегрирующего звена [2].

Сбалансированными астатическими объектами являются также:

– бак для нагревания и выдержки при заданной температуре партии жидкости, подвод энергии от энергоносителя (пар, горячая вода) циркулирующего через «рубашку» или через змеевик, размещенный в баке. Регулируемый параметр z – температура жидкости в баке, канал управления y – величина закрытия клапана подачи энергоносителя в «рубашку», возмущения x – частичная или полная замена объема нагретой жидкости в баке на холодную, вызывающая изменение теплопритока от энергоносителя в объѐм бака, а также потери тепла в окружающую среду;

– установка насыщения воздухом, например, смеси зефирной массы или мороженного (взбивание). Регулируемый параметр z – плотность смеси на выходе из установки, канал управления y – величина закрытия клапана подачи сжатого воздуха в смеситель, возмущения x – изменения количества и плотности смеси на входе в установку.

8

Рис. 2. Анализ состояний сбалансированного астатического объекта

9

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕСБАЛАНСИРОВАННОГО АСТАТИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

На рис. 1 вариант использования астатического объекта в качестве бака-накопителя воды в системе водоснабжения предприятия из артезианской скважины.

Состояния объекта в динамике определяет уравнение:

dh

dτ ε(g1 g2 )

В этом случае возмущающее воздействие – отбор воды из бака может изменяться в широком диапазоне g2min < g2[τ] < g2max в зависимости от интенсивности производственного процесса на предприятии. Управляющее воздействие yp – подкачка воды из скважины в бак g1 осуществляется периодическими включениями электродвигателя насоса подкачки. Если yp = 1, то g1 = gn; если yp = 0, то g1 = 0, где yp команда включения/отключения электродвигателя насоса, gn производительность насоса, кг/с.

Для обеспечения оптимального режима эксплуатации системы водоснабжения следует установить насос с производительностью gn > g2max.

Отбор из бака-накопителя (g2, кг/с) может производиться насосами откачки или самотеком через открываемые запорные клапаны в количестве g2(j), необходимом для обеспечения работы j-го комплекта

возможны состояния g1 = g2 когда dh/dτ = 0 и h = const).

На рис. 1 графики переходных процессов (h = ƒ(τ)) объекта (разгонных характеристик) при постоянном значении возмущающего воздействия g2 = 0,5gn и при изменении команды по каналу управле-

ния yp = 0 на yp = 1; yp = 1 на yp = 0.

10