книги из ГПНТБ / Живоглядов, В. П. Адаптация в автоматизированных системах управления технологическими процессами
.pdfРазличные уровни иерархии АСУП связаны между собой потоками «отчетной» и управляющей информации. Функции отдельных подсистем подробнее описаны в [4. 1].
Приведем перечень АСУ ТП цементного завода: автоматизированная система управления процессами мок
рого помола сырья в шаровых мельницах, автоматизированная система корректирования химическо
го состава шлама, автоматизированная система управления процессом об
жига клинкера во вращающихся печах, автоматизированная система управления процессами по
мола цемента в шаровых мельницах.
Использование принципов адаптации при разработке ал горитмов представляется перспективным для всех названных уровней иерархии в АСУ.
Укажем два варианта технического решения при построе нии АСУ ТП: двухступенчатая схема (рис. 4. 2а) с исполь зованием аналоговой аппаратуры регулирования (АР) и УВМ, предназначенной для коррекции, настройки локальных си стем, и одноступенчатая схема (рис. 4. 26) с прямым цифро вым управлением (ПЦУ). На рис. 4. 2 обозначено: ИУ — из мерительные устройства — датчики выходной величины и кос венных показателей q, преобразователи и т. д., КС — каналы связи, ИМ — исполнительные механизмы, УВМ — управляю щая вычислительная машина, РВ — ручной ввод данных.
Первый вариант (рис. 4. 2а) предпочтительнее в том слу чае, когда построение АСУ ТП производится на базе уже имеющейся и удовлетворительно работающей аналоговой тех ники автоматики, а надежность управляющих вычислитель ных машин недостаточно высока. Функции УВМ состоят при этом в сборе, обработке информации и выдаче корректирую щих воздействий, настройке локальных систем управления. При отключении вычислительной машины для профилактики, ремонта и т. д. локальные системы регулирования продолжа ют работать без настройки. Недостатком таких АСУ ТП яв ляется их относительно высокая стоимость и сложность.
Второй вариант заключается в непосредственном исполь зовании УВМ для прямого цифрового управления технологи ческими процессами и весьма перспективен при использовании высоконадежных вычислительных машин, в частности машин третьего и четвертого поколений на интегральных схемах. Наиболее перспективно применение АСУ с прямым цифровым управлением на вновь строящихся предприятиях.
390
4. 2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОМОЛА КЛИНКЕРА
И ДОБАВОК В МНОГОКАМЕРНЫХ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦАХ
4. 2. 1. Характеристика процесса помола и функции АСУ
Шаровые мельницы (цементные и сырьевые) относятся к числу основных агрегатов цементного производства и потреб ляют около 60% всей электроэнергии, расходуемой на про изводство цемента. Наиболее распространены многокамерные мельницы размером 2,6X13 м и 3,0Х 14 ж с размолом в откры том цикле. Шаровая мельница представляет собой горизон тальный барабан, футерованный изнутри бронеплитами из твердой стали. Внутри барабан разделен на несколько (2—3) камер межкамерными перегородками с отверстиями. Камеры загружаются металлическими шарами различного диаметра и цильбепсом. Технологический режим помола существенно зависит от состояния, количества и ассортимента мелющих тел. Скорость вращения барабана обычно около 2 об/мин. Ис ходный материал (клинкер, гипс и добавки) из бункеров пи тателями подается в мельницу. Проходя через все камеры, материал измельчается и превращается в готовый продукт — цемент. Качество работы измельчительных агрегатов харак теризуется тонкостью помола, а также точностью поддержа ния заданных соотношений компонентов (клинкера, гипса, до бавок). Допустимая тонкость (остаток на сите 008) устанав ливается ГОСТом. Качество цемента и его марка (а следова тельно. и отпускная цена) определяются активностью цемента.
Мельницы, как объекты автоматического управления, ха рактеризуются распределенностью процессов в пространстве и наличием больших транспортных запаздываний, причем величина запаздывания зависит от режима работы. В частно сти, применение интенсификаторов помола значительно меня ет скорость прохождения материала через мельницу и, соот ветственно, величину запаздывания. Возмущения, действующие на процесс, связаны со случайными колебаниями грануломет рического состава, размалываемости и расходов материалов. Технологический процесс непрерывный, и существенное зна чение имеет управление в стационарном режиме (особенно на заводах с хорошо отлаженной технологией). Поэтому для управления целесообразно использовать стационарные алго ритмы.
191
Автоматизированное управление процессом помола в це ментных мельницах предусматривает управление подачей ис ходных материалов (клинкера, гипса, добавок) для обеспече ния максимального выхода готового продукта при заданном значении выходного показателя качества w (тонкости, удель ной поверхности). Укажем место АСУ тонкостью помола а общей АСУ цехом помола. Если отнести ее к I уровню иерар хии, то II уровень должен включать алгоритмы изменения за дания w* по тонкости и процента добавок с целью получения требуемых вида и марки цемента. На III уровне находится подсистема оперативного управления цехом помола, устанав ливающая для каждой мельницы режим работы, вид и марку цемента. Здесь мы подробно опишем АСУ, для которой выход ной переменной является тонкость помола цемента.
Точное математическое описание процессов, протекающих в мельнице, строго говоря, требует привлечения систем диф ференциальных уравнений в частных производных с гранич ными условиями, учитывающими загрузку, выгрузку из ма териала, влияние межкамерных перегородок, сложных нели нейных зависимостей с большим числом переменных, учета ряда технологических параметров, кинетики измельчения и т. д. Однако такой подход не является конструктивным и не может на современном этапе развития теории и практики уп равления привести к разумным техническим решениям, удов летворяющим требования производства. Кроме того, из-за значительных случайных возмущений и погрешностей изме рения при постановке экспериментов получение точной мате матической модели мельницы является практически неразре шимой задачей. Поэтому мы применим простейшую распреде ленную модель, учитывающую транспортировку материала н переход материала из одного класса крупности в другой:
дЯк |
+ о |
dqh - |
—kk Як , q\ (С),t) = fk [«(/),ра (01 ^ / а (0 . |
dt |
^ |
дх |
(4.1) |
|
|
дЯв |
|
СО |
|
|
|
dt |
|
дх |
|
|
|
|
0 < х < / и; /> 0, |
где <7а (х, 0 — удельный весовой расход в точке х в мо мент времени t, отнесенный к единицедлины, крупной фрак ции (не проходящей через сито 008);
Яв(х>0 — удельный весовой расход мелкой фракции^
192
v — скорость перемещения материала.
Константа k \ характеризует кинетику измельчения. Управление загрузкой u(t) и возмущения ц а (0. Hb(0 i
связанные со случайными колебаниями фракционного состава и других свойств исходных материалов, входят нелинейно в граничные условия. Поскольку нас интересует в основном ста ционарный режим, исследуем задачу без начальных условий,
т. е. переменные q.\i\ убудем рассматривать при = тн.
Разработку алгоритмов контроля, управления, адаптации для АСУ проведем с использованиеммодели (4. 1) и неформа лизованной информации,, полученной во время промышлен ных экспериментов, с учетом накопленного опыта автоматазации технологических процессов. Ранее отмечалось, что ал горитмы дуального управления, стохастической аппроксима ции мало чувствительны к вариации характеристик объекта, что позволяет использовать при синтезе упрощенные модели. При необходимости учитывать инерционные свойства про цесса, накопление материала внутри камер мельницы, пере мешивание его будем вводить в модель наряду с запаздываю щими инерционные звенья. Другой путь заключается в при менении уравнений диффузии в потоке (В. 8).
Преобразуем модель (4. 1). Применив к (4. 1) преобра зование Карсона—Хевисайда с оператором р, получим в опе рационной форме
, |
* |
* |
- кк Т ~ ° Т |
||
4а (х,р)=е |
е |
fK[p), |
|
— |
—k — |
4в(*-Р)=е |
V [K0{x)fk (p)+fB(p)\,K0(x) = ^ \ —e ° У (4. 2) |
|
Тонкость помола w характеризуется процентным отноше нием веса крупной фракции q\ (остаток на сите 008) к сум марному весу <7а +<7в:
w=*= 4а |
(4- 3) |
4а + 4 в
С учетом (4. 2), (4. 3), переходя от изображений к оригина лам, запишем
1 3 |
2 |
2 |
4 |
7 |
1 9 3 |
w(x,t)=
—Ад —
Л",
^/л
О Д / а |
+ /в |
- F x,Kb,v,u[
(4. 4)
В последнем выражении параметры £д и v, строго говоря, не постоянны, а зависят от загрузки мельницы, т. е. от величи ны и. Кроме того, эта модель не учитывает емкости мельницы, накопление в ней материала, диффузионного перемешивания, аспирации и т. д. Однако даже при этих серьезных допуще ниях модель (4. 4) оказалась полезной для синтеза, приемле мого с практической точки зрения алгоритма управления. Ап проксимируем F в (4. 4) линейной зависимостью:
|
w(x,t) = Ku(x)u{t—-x)+KlL (Л')р°(/--д;) = |
|
|
||
|
|
=K u(x)[a(t— |
т*)] |
(4- |
5) |
или |
при х = /н |
|
|
|
|
|
а » ( 0 = а » ( /„ ,0 - а д ^ - - н)+ ^(/--и)]. |
(4- |
б) |
||
где |
Ки— коэффициент усиления |
объекта; |
|
|
|
|
х ' |
L |
|
|
|
|
тЛ— —, тн==~ — время чистого запаздывания; |
|
|
||
р, — эквивалентное возмущение.
Таким образом, в качестве простейшей модели цементной мельницы по каналу «загрузка материала и — тонкость по мола \v» применим звено с транспортным запаздыванием. Не
сколько более точная |
аппроксимация |
динамических свойств |
|
достигается при использовании моделей типа |
|||
. . . |
w(p) |
Кц |
, 0 < у —const, |
Фц(р)= |
HP) |
“ --------- z е |
|
|
(1 + 7 » T |
1 |
|
194
Непосредственное управление объектом по выходному по казателю (тонкости помола) затруднительно особенно сред ствами аналоговой техники из-за большого запаздывания по ка налу «и—до», а также из-за отсутствия приборов автоматиче ского непрерывного контроля тонкости и измерения тонкости при дискретном отборе проб. Поэтому в практике автоматиза ции цементных мельниц получил распространение такой под ход, при котором регулирование загрузки мельницы осущест вляют по сигналам косвенных показателей, имеющих лишь статистическую связь с выходом. До настоящего времени на заводах применяются электроакустические регуляторы типа РЗМО различных модификаций, разработанные еще в 1953— 1955 гг. Сигналом косвенного показателя в них служит час тота шума мельницы, улавливаемая микрофоном, установлен ным в начале первой камеры мельницы. Однако из-за слабой связи сигнала с выходом работа схемы РЗМО недостаточно эффективна, что неоднократно отмечали и сами разработчики схемы [3. 1, 4. 4].
Учитывая распределенный характер процесса измельчения в мельнице, качество управления можно повысить путем при менения распределенного контроля косвенных показателей, который позволяет учесть дополнительную информацию о про текании процесса помола по длине аппарата [4. 1—4. 3]. В си стеме регулирования, разработанной в Институте автоматики АН Киргизской ССР, распределенный контроль реализован на индукционных датчиках. Для оценки тесноты связи сигна лов датчиков, тонкости помола цемента и производительности шаровых мельниц было проведено несколько экспериментов на двух заводах. Датчики устанавливались в различных топ ках по длине мельницы: в начале и конце первой камеры, в начале второй камеры и в конце мельницы.
По полученным данным были вычислены оценки автокор
реляционных функций: |
|
|
(начало пер |
|
K q \ ( x ) |
— сигнала ql= q(xl) первого датчика |
|||
вой камеры); |
|
второго датчика |
(конец пер |
|
K q z ( x ) |
— сигнала q3 — q (f'2) |
|||
вой камеры; |
q3= q (x 3) |
третьего датчика (начало |
||
Kq3{x) |
— сигнала |
|||
второй камеры); |
|
|
|
|
Кп(т) |
— производительности мельницы П; |
|
||
Kw(x) |
— тонкости помола цемента до. |
|
||
Оценки взаимных |
корреляционных функций между сиг |
|||
налами: |
|
I |
s ':' |
|
qi и w; qs и ее); qa и w;
qi и Я; q2 и Я; q3 и се);
q, и q2; q1 и qs; q2 и q3; П и w.
обозначены соответственно K WCjl{i), K wq^ ) tK wqi ('). K„qi (x и т. д.
Некоторые результаты расчетов оценок, нормированных кор реляционных функций представлены на рис. 4. 3.
jK(ZV I
Рис. 4.3
4. 2. 2. Локальная система регулирования загрузки с распределенным контролем
Разработанная локальная система учитывает распределен ность процессов в пространстве. Управление загрузкой в ней осуществляется по сигналу Q распределенного контроля.
196
Остановимся подробнее на выборе структуры и параметров регулятора. Воспользуемся при этом результатами, приведен ными в разделе 1 по дуальному управлению объектами с чистым запаздыванием. На рис. 4. 4 приведена эксперимен тальная кривая разгона по каналу «расход клинкера по по ложению ножа тарельчатого питателя и — сигнал дискрет ного (три датчика) распределенного контроля». Для идеаль ной распределенной модели первого порядка суммарный сиг нал трех датчиков, расположенных в различных точках х /, должен нарастать трижды скачкообразно, например, как по казано на рис. 4. 4 штрих-пунктирной линией (кривая 1). Ре альную кривую разгона для упрощения выкладок аппрокси мируем экспонентой с запаздыванием (кривая 2). Переда точная функция имеет вид (3. 34).
Параметры — время запаздывания %и, постоянная времени Ти и коэффициент усиления К и — зависят от состояния мель ницы, места расположения и способа установки датчиков, от настроечных коэффициентов аппаратуры усиления, преобра зования, сглаживания, суммирования сигналов. Оценку авто
197
корреляционной функции эквивалентного возмущения ц, при
веденного к выходу объекта, аппроксимируем |
выражением |
|||
о'"р ехр{—a x|v|}. Включив в канал |
передачи |
управляющего |
||
воздействия |
оператор |
Фобр(р) = 0 |
+ Тир)/Ки, приходим к ис |
|
следованной |
в разделе |
1 задаче управления марковским объ |
||
ектом с запаздыванием. Воспользовавшись результатами под раздела 1. 4, выбрав постоянную фильтра Тф = Ти и релейный закон управления двигателем исполнительного механизма, устанавливаем, что регулирующее устройство состоит из ре
лейного |
элемента (релейного усилителя), |
охваченного |
инер |
||
ционной |
отрицательной |
обратной связью |
с передаточной |
||
функцией |
о.(1 + ТнзР ) - \ |
интегрирующего |
исполнительного |
||
механизма |
(обычная схема большинства промышленных ПИ- |
||||
регуляторов) и дополнительной жесткой отрицательной |
об |
||||
ратной связи с коэффициентом Кос, охватывающей исполни тельный механизм и регулятор. Настроечные параметры оп ределяются формулами
|
^ 3 = 4 ^ 1 + 7ф). |
|
(4- 7) |
|||
|
|
ек, |
|
|
(4. |
8) |
|
|
Ts |
’ |
|
||
|
|
|
|
|
||
|
К |
—1—р |
|
(4. |
9) |
|
где |
АОС 1 |
*1 |
|
|||
|
|
|
|
3 |
|
|
Ki = 2—2 ( 1------- ^ |
------) ехр |
|
|
|||
-ц+ 3 'ц |
|
|||||
V |
^ + 2Г Ф / |
|
||||
|
|
|
||||
■=---- коэффициент усиления |
испо тигельного |
механизма, |
|
|||
* о |
—«1 |
|
|
|
|
|
|
-=1ии |
|
(4- |
10) |
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент ?х вычисляется по формуле (1. 140). Управляющее устройство легко может быть реализовано
на базе серийных регуляторов РПИК, РПИБ и др. Сигнал жесткой отрицательной обратной связи дает индуктивный датчик положения исполнительного механизма.
Настроечными параметрами в локальной системе являют ся также весовые коэффициенты распределенного контроля
и задание .регулятору. В случае применения контура адапта ции он непрерывно корректируется УВМ.
4. 2. 3. Адаптивный распределенный контроль процесса помола
Как уже отмечалось в разделах 1 и 3, качество управ ления и прогноза выходного показателя w (тонкости помола, производительности) можно повысить, применяя распреде ленный контроль состояния мельницы путем установки вдоль барабана мельницы ряда индукционных датчиков. Прогноз выхода ay[s] на время т в АСУ осуществляется по формуле
(4. 11)
л
рде w— оценка переменной да.
Дрейф характеристик объекта, изменение режимов ра боты мельницы приводят к тому, что с течением времени точ ность прогноза при постоянных, однажды выбранных коэф фициентах а/ падает. Это обусловливает необходимость введения адаптации, подстройки коэффициентов. Были при менены следующие алгоритмы адаптации:
Теория адаптивного распределенного контроля и сравни тельный анализ на экспериментальном материале различных алгоритмов настройки приведены в разделе 3. Промышлен ные испытания системы адаптивного распределенного контро ля были выполнены с УВМ типа «Днепр-1».
Удовлетворительные результаты получены уже при исполь зовании трех и даже двух датчиков, установленных в первой и второй камерах. Динамика по каналу «сигнал t'-ro датчика— выход» в соответствии с моделью (4. 1) аппроксимирована чистым запаздыванием.
19Э