Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Автоматизация переработки каменноугольной смолы

..pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
12.92 Mб
Скачать

ить АФХ разомкнутой системы корректирующего объек­ та и стабилизирующего регулятора при kp = 1 —

—^об(/оо) И7Рі (/'©), а также АФХ разомкнутой системы стабилизирующего объекта и стабилизирующего регуля­ тора при /гр= 1—Wo6i(ja>) Wp'(/o>), а затем определить

векторы АФХ 1^об.а(у<в) как частное от деления векторов АФХ Wo6(ja) Wp' (/со) на векторы, приведенные для тех

же частот к характеристике W0<s,(/©) ИРр'(/<й) из точки,

расположенной на отрицательной вещественной полу­ оси на расстоянии 1/Ігр от начала координат.

Амплитудно-фазовые характеристики разомкнутых систем легко получить из временных характеристик объ­ ектов, совмещая метод построения годографа по пара­ метрам кривой разгона [20], заключающийся в том, что если объект аппроксимирован звеном первого порядка и звеном чистого запаздывания, то точки годографа та­ кого объекта имеют модуль, равный модулю годографа звена первого порядками сдвинуты по фазе на угол, со­ ответствующий точке годографа звена первого порядка плюс угол смещения звена чистого запаздывания срсм= = 57 согт град., с методом получения амплитудно-фазо­ вой характеристики разомкнутой системы с ПИ-регуля- тором при kp— \ [21]. При этом для получения АФХ разомкнутой системы с ПИ-регулятором при kp— \ и не­ котором известном Тп следует к каждому вектору АФХ регулируемого объекта добавить вектор длиной ААіоі/ші7'ц (А0— длина вектора АФХ объекта), поверну­ тый на угол п/2 (90°) по часовой стрелке.

На основе приведенных методов получены аналитиче­ ские выражения для расчета радиуса-вектора RQ. разом­

кнутой системы с ПИ-регулятором и /гр= 1, а также угла сдвига а радиуса-вектора, на который его нужно повер­ нуть по часовой стрелке от положительного направления вещественной оси

R,

&об

-| I

I +(^Г„)2

(ІИ-65)

щ Т ѵ.

у

1+ (®с Т)г '

аі

 

где k o6— коэффициент

усиления объекта;

Т — постоянная времени объекта;

в результате

Тп— время

изодрома,

полученное

расчета параметров настройки

стабилизиру­

ющего

регулятора

 

Затем по методике, предложенной В. Я. Ротачем [21], определяют область устойчивости, область заданного запаса устойчивости и оптимальные настройки корректи­ рующего регулятора. Можно более приближенно опреде­ лить оптимальные настройки корректирующего регуля­ тора, пользуясь методом расчета временных ха­ рактеристик эквивалентного объекта с последующим определением настроек регулятора по формулам, ре­ комендуемым А. П. Копеловичем [20].

3. Качество работы системы анализируют исходя из требований технологии к качеству регулирования расчет­ ных оптимальных настроек корректирующего регулятора по методике, рекомендуемой В. Я- Ротачем [21].

Интервал вычисления графика переходного процесса определяют по формуле

At =

(і и -67)

C ö p

Значения выходной величины в выбранные моменты времени рассчитывают по следующим формулам:

со

 

 

^ в ы х о = ^ +

У !/*;

 

(іи-68)

 

 

 

 

2

Я

k=l

 

 

 

Я пмхі —

Ro

,

2

 

 

 

15*)

;

(III-69)

OS

-|-------s' n & *5° + j k cos k

 

 

 

Я k—1

 

 

 

 

 

—OS — + — V [rk si n k

30° +

j k cos k 30°)

;

(Ш -70)

 

2

 

71

Ami

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k—\

 

 

 

 

 

*ВЫХЗ —

a

f

^ (rk sin k

45° - f

j k cos k 45°)

.

(III-7 I)

 

 

 

 

fc=i

 

 

 

 

 

В разложении достаточно ограничиться 11-й гармони­ кой, k = 11.

Пример расчета комбинированной САР

Ниже приведен пример расчета комбинированной САР темпе­ ратуры фенольной фракции для фракционной колонны двухколон­ ных трубчатых агрегатов. Необходимая для расчета часть принци­ пиальной блок-схемы САР изображена иа рис. 53. В расчете кри­ вые разгона объектов аппроксимировались цепочкой двух звеньев: звеном чистого запаздывания и инерционным звеном первого по­ рядка. Исходные данные для расчета следующие:

1.Временные характеристики по корректирующему каналу: ко­

личество орошения — температура фенольной фракции: т = 9 мин,

Рис. 53. Принципиальная блок-схема комбинированной САР темпера­ туры фенольной фракции для фракционной колонны двухколонных трубчатых агрегатов

Г =

48 мин, йоо = 1,4°С

(приведен к

Чю

хода исполнительного ме­

ханизма).

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Временные характеристики по стабилизирующему каналу:

количество

орошения — температура

паров, выходящих

из колон­

ны: Ті = 2

мии,

Ті =

22

мин, йобі= 2 , Г С

(приведен к Чіо хода ис­

полнительного механизма).

 

 

 

 

3. Временные характеристики по каналу компенсации возмуще­

ния

количество

водяного пара — температура фенольной фракции:

тв =

5 мин,Тп = 2 ,5

мин, é B = l,6° С.

 

 

 

 

По данным

В . Я- Рйтача [21], комбинированную САР можно

рассматривать

как

каскадную схему

автоматического

регулирова­

ния с вводом воздействия от промежуточной регулируемой вели­ чины при условии инвариантности регулируемого параметра к воз­ мущающему воздействию. Технологическому режиму работы фрак­ ционной колонны удовлетворяет любой из вышеперечисленных ти­ повых процессов регулирования.

Параметры настройки стабилизирующего ПИ-регулятора при­ ведены в табл. 6.

Для дальнейших расчетов из табл. 6 выбраны параметры на­ стройки стабилизирующего регулятора для процесса с 20%-ным пе­ ререгулированием k pi = 3 ,6 1/град., Та = 9 мин.

8—340

113

 

 

 

ПАРАМЕТРЫ НАСТРОЙКИ

 

Т а б л и ц а 6

 

 

 

 

 

 

Апериодический процесс

20%-ное перерегулирование

 

min J хг dt

с min tp

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

0 .6

 

 

 

0 ,7

 

и

1,0

 

 

 

 

 

 

 

1

рі

ко б Л / Тг

 

' РІ

ко 6 ^ /Т г

 

р‘

 

0 ,6

 

3 ,1 4

1 /град

0 ,7

 

= 3 ,6 6

1 /град

= 5 ,2 4

1 /град

= ------------- =

= --------- —

 

 

 

2 ,1 -2 /2 2

 

'

2 ,1 -2 /2 2

 

 

 

 

 

Г „ = 0 ,8

Т !+ 0 ,5

7\ =

Т’,, = П

+

О,3

= 2 +

Т „ = т + 0 ,35 Т

= 0 ,8 -2

+

0 ,5 -2 2 =

+ 0 ,3 -2 2

= 8 ,6

мин

 

= 9 ,7

мин

=12,6 мин

Подставив в формулы (Ш -65) и (Ш -66) исходные значения т, Т, й0о, а также значение Тп, полученное расчетом для различных

значений

со, определяем R a -

и а,-.

 

 

 

 

 

 

В табл. 7 сведены значения

и а,- для АФХ разомкнутой

системы

стабилизирующего

регулятора

при

йР = 1,

Т п=

9 мин,

а также

для разомкнутой

системы

корректирующего

объекта

и

ПИ-регулятора при тех же значениях йР и Т„.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

7

ЗНАЧЕНИЯ РАДИУСА-ВЕКТОРА

/?и

И УГЛА СДВИГА

 

 

МИН

^/обі'

- “ (об-

“ /■

 

*/об,.

 

-«/об -

 

 

град.-мни

МИН

 

 

 

град.-мин.

0,01

3 8 - ІО -2

 

98

0 ,4 2

 

3 9 -1 0 -4

146

 

0 ,0 4

7 7 -ІО -3

 

113

0 ,4 4

 

3 7 -1 0 -4

148

 

0 ,0 6

4 5 -ІО -3

 

122

0 ,6

 

2 6 -1 0 -4

164

 

0 ,2

78-10—4

 

129

0 ,8

 

2 0 -1 0 -4

185

 

0 ,3

57-10—«

 

136

1,0

 

15,7 -10 -4

207

 

0 ,3 5

4 7 -1 0 -4

 

139

1,2

 

1 3 -1 0 -4

229

 

0 ,3 8

4 4 -1 0 -4

 

142

1,5

 

1 0 -1 0 -4

263

 

0,01

2 3 - 1 0 - 2

176-47

0 ,4 2

132 -10—5

317-11

 

0 ,0 4

4 1 -ІО -3

132-05

0 ,4 4

123-10—а5

327

 

0 ,0 6

2 5 ,6 -10 -з

161-38

0 ,6 0

9 0 -1 0 -5

406

 

0,20

3- 1C—3

215-10

0 ,8 0

6 6 -1 0 -5

507

 

0,30

187-ІО -5

 

259

1,00

5310- І

608

 

0 ,3 5

160-ІО -5

 

283

1,20

4 5 -1 0 -5

710

 

0 ,3 8

145ІО -5

 

297

1,50

3 5 -1 0 -5

862

 

0 ,4 0

136-10-5

 

307

 

 

 

 

 

 

114

По данным табл. 7 строится АФХ разомкнутой системы стаби­

лизирующего

объекта

и

стабилизирующего регулятора

для

k v — \

и Г п = 9 мин

(рис. 54)

и

определяются радиусы-векторы

R t

и фа­

зовые углы а " для различных частот в точке, расположенной на

отрицательной вещественной полуоси на расстоянии

Рі

3 ,6

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,28 град.-1

от начала координат. Эти

данные приведены

нил

СО;, мин—1 • .

• •

0,01

 

 

0 ,0 4

 

0 ,0 6

 

 

R : . . . . .

 

 

 

 

3 0 ,8 - 1 0 - 2

 

3 0 ,8 - 1 0 - 2

 

а " . гРаД • • • •

54

 

 

14

 

7—30

 

 

(0 £, мин . . . . .

0 ,2

 

0 ,4 2

 

0 ,4 4

0 ,8 0

 

R ] ...................

 

 

 

3 2 6 -1 0 -а

'

 

359-30

а " , град . . . . .

2

 

 

1

 

0 ,5

По этим

данным

и табл.

7

определяются

радиусы-векторы

эк-

Бивалентного

объекта

R i

об

.

 

углы

а ; о = а

,—-

Ніэ = -----;— и

фазовые

сос а .

Re

Для получения АФХ разомкнутой системы следует к каждому век­

тору характеристики

регулируемого

объекта добавить

вектор длиной

 

 

ДА :

йпр Л 0 а>Т„,

 

 

 

(оТ„

 

 

где

А0 — длина вектора характеристики объекта;

 

k np =

Т

некоторого выбранного Тпр/Та и

заданном Тп;

— ^ — для

 

Ти

 

 

 

повернутый на угол 90° по часовой стрелке, после чего плавными кривыми соединить полученные точки с одинаковыми Тп.

 

 

 

ЗНАЧЕНИЯ

Д А

, мм

Таблица 8

 

 

 

 

 

 

 

 

Ти, мня

 

 

 

 

0) ,

А а, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20 1

 

22

1 24

26 1

30

1

34

38

мня- 1

 

 

102

 

90

81

7 0 ,5

59

 

48

39

0 ,0 3

67

52

 

46

40

35

27

 

20

14

0 ,0 4

50

16

 

13

10

7 ,5

3

 

0 ,6

—3 ,9

0 ,0 6

30

0

— 1,45

— 2,75

— 4

— 6

- 8 , 3

— 10,2

0,1

15

— 3 ,7 5

— 4 ,3 9

ц г5 ,9 6

— 5 ,5

—6 ,7 — 7 ,8

— 8 ,8

0 ,2

5

 

 

 

Гц, мня

 

 

 

 

и, мая- ^

До, мм

40

1

42

44

46

 

48

 

50

 

 

 

 

35

 

' 31

28

23,6

 

21,5

 

19

0 ,0 3

67

11

 

8 ,8

6 ,4

4 ,2

 

2

 

0

0 ,0 4

50

— 5 ,5

 

— 7

— 8 ,4

— 9 ,8

— 11

 

— 12,5

0,06

30

— 11,25

 

— 12

— 13,1

— 14

— 15

 

— 15,7

0 ,1 0

15

- 9 , 4

 

— 10

— 10,4

— 11

— 11,5

— 12

0 ,2 0

5

8*

115

В табл. 8 даны значения Д/1 для построения семейства А Ф Х разомкнутой системы эквивалентного объекта с ПИД-регулятором при f t p = l , Äop = 0 ,2 5 и Гн в пределах 20— 50 мни, вычисленные но формуле

1

- соГпр') е

(Ш -72)

И7£ (/со) = Г об (/ш) + Гоб (/со)

.

В табл. 9 сведены исходные н расчетные

данные.

 

 

Рис. 54. Амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы стабилизирующего объекта и стабилизирующего регулятора для Г п== = 9 мин и k p — 1

Т а б л и ц а 9

ЗНАЧЕНИЯ РАДИУСОВ-ВЕКТОРОВ И ФАЗОВЫХ УГЛОВ ЭКВИВАЛЕНТНОГО ОБЪЕКТА

Ш.,

Я/об'

R ], °C

«/э- °с

а іоб’

град.-

“ ь -

мин- 1

°с

 

 

град.-мин.

'мин.

град.-міш.

0,01

2 3 -10~2

4 7

- 1 0 - 3

0 ,4 9

76-47

54

— 22-47

0 ,0 4

4 1 -ІО -3

308-10 - 3

0,134

132-05

14

- 1 1 8 - 0 5

0 ,0 6

256-10—4

3 0 8 -ІО -3

0,084

161-38

7-30

- 1 5 4 - 0 8

0 ,2 0

30-10—4

324ІО -3

0,009

215-10

2

—213-10

0 ,4 2

132-ІО -5

3 2 6

- 1 0 - 3

0,004

317-11

1

-3 1 6 -1 1

0 ,4 4

123ІО -5

327

-ІО -3

0,0039

327

0 ,5

- 3 2 6 - 2 8

0 ,8 0

66-10—5

3 2 8 -ІО -3

0,002

507

359-30

- 1 4 7 - 1 0

116

О

На рис. 55 представлено семейство АФХ разомкнутой системы эквивалентного объекта, построенных с учетом табл. 9. Критическое значение коэффициента усиления регулятора определяется по фор­ муле

Ар.кр =

Ко

-

(ІП -73)

где Ко — величина отрезка, отсекаемого

А Ф Х

разомкнутой системы

на отрицательной вещественной оси, определяемая графически.

Полученные данные представлены

в табл.

10.

Рис. 55. Семейства амплитудно-фазовых характеристик разомкнутой системы эквивалентного объекта

" *р.кр

>3

о

о

о

^р.кр>

гр а д .-1

11 Ѵ « Р '

Ro, °С

^р-кр>

град. - 1

 

ЗНАЧЕНИЯ

/?„ И *р.к р

Т а б л и ц а 10

 

 

 

18

 

20

 

22

30

38

0, 13

0,105;

0,038;

0,015

0,018

0,023

 

0,015

 

 

 

 

7,68

9 ,5 ;

2 ,6 ;

66

66

56

43,5

 

 

 

 

 

П р од ол ж ен и е

40

42

 

44

46

48

50

0,025

0,027

0 ,0 3

0,035

0 ,0 4

0,049

40

37

 

33

29,5

2 3 ,8

2 0 ,2

117

По данным табл. 10 и рис. 56 определена область устойчивости системы с корректирующим ПМД-регулятором. Область допустимо­ го запаса устойчивости и оптимальных настроек ПИД-регулятора определяется по формуле

/гр.опт= г£ I

(Ш-74)

где г і — радиус окружности (табл. 11) с центром на отрицательной вещественной полуоси, касающийся АФХ разомкнутой системы эк-

Рис. 56. Область устойчивости системы автоматического регулирова­ ния с корректирующим ПИД-регулятором:

/ — область неустоіічнвостн; I I — область устойчивости; /// — область задан­ ного запаса устойчивости

вивалентного объекта и некоторой прямой, проведенной из начала координат под углом 38° к отрицательной вещественной полу­

оси [21].

Таблица 11

 

ЗНАЧЕНИЯ г і

И *

т АФХ РАЗОМКНУТОЙ СИСТЕМЫ

 

 

 

ЭКВИВАЛЕНТНОГО ОБЪЕКТА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ

 

 

Значения

20

22

26

30

38

40

42

46

Г1 нАр.опт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г/,

мм

23;

23; 235

25

26,5

35

37,5

39

45

 

 

49,5;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

265

 

 

 

 

 

 

 

 

Гі,

°с

0,026;

0,026;

0,031

0,033

0,044

0,047

0,049

0,57

 

 

0,062;

0,30

 

 

 

 

 

 

 

 

0,34

 

 

 

 

 

 

 

 

&р.опт

38; 16;

38;

3,3

32

30

23

21

20

17

 

 

2,9

 

 

 

 

 

 

 

 

118

По рис. 56 находят параметры оптимальной настройки регуля­ тора как точку на границе допустимой области устойчивости, к ко­

торой можно

провести

касательную

из точки Г и= 0 ;

ftp.опт =

=

38 град.-1 , Г „.0п т= 2 2

мин.

 

 

 

 

 

Так как в выпускаемых серийно промышленных регуляторах

получить

коэффициент

усиления ftp> 2 0

практически

невозможно,

в

качестве оптимальных

настроек приняты: йр.опт = 20

град.-1 ,

Гц.опт

38 МИН.

Гц.опт

по

сравнению

с

полученным

значением по

 

Увеличение

расчету (до 38 мин) вполне допустимо с точки зрения быстродей­ ствия системы. Окончательно оптимальные настройки корректиру­ ющего регулятора выбирают после анализа качества работы систе­ мы. Анализ качества работы САР выполнен с учетом технологиче­ ских требований. Ниже приведены требования технологии к каче­

ству

регулирования температуры фенольной

фракции: xi =

± 2 ,5 -f-

= 3

град; х 2/хі =

40% '— перерегулирование;

^р = 60 — время

регули­

рования; б = ± 1 ,5

град. — остаточное отклонение.

 

 

График изменения регулируемой величины (температуры фе­

нольной фракции)

при работе системы с корректирующим ПИД-ре-

Рпс. 57. Амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы для Г „ = 3 8 мни и ftp = i

гулятором

при

его

оптимальной

настройке

6 р.опт = 2 0

град.-1 ,

2'н .оп т=38

мин,

7 Пр.опт = 9 ,5

мин

определен для случая

ступенча­

того изменения задания регулятору на I град.

 

 

 

На рис. 57

приведена АФХ

разомкнутой

системы для

7'„ =

= 38 мин

и А р = 1,

а также

показаны векторы

ОА и В А

для

час­

тот 0,03; 0,04; 0,06; 0,1; 0,2; 0,3 мин-1 , проведенные из начала коорди­ нат и из точек В и В\, расположенных на отрицательной вещест­ венной полуоси на расстояниях:

1

OB =

= 0,05° С;

20 град.

1

1

 

 

 

ОВг =

 

—10,0625° С.

 

 

 

 

 

 

Іб.град.'

 

 

 

Значения амплитудно- и фазочастотной характеристик замкну­

той системы

относительно

управляющего

воздействия

представлены

в табл.

12.

 

 

 

 

 

Таблица 12

 

 

 

 

 

 

 

 

АМПЛИТУДНО- И ФАЗОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

со,

ОА,

В А ,

.

, .

ОА

ФОА’

ФВА'

Ѵ

Ш)=фО л -

А

(ш )= ----

мин- 1

мм

мм

у

 

ВА

град.-міш

град.-мин

-

Фв л , град.

0,3

10

31

 

0,323

—200

-|-6

 

—206

0 ,2

20

23

 

0,87

— 154

—22

 

— 132

0,1

37

22

 

1,68

— 147

—65

 

—82

0,06

61

36

 

1,69

-145-30

— 106-30

 

—39

0,04

104

81

 

1,28

— 133

-112-30

 

—21

0,03

156

140

 

1,11

—120

— 106

 

— 14

По данным табл. 12 построен график (рис.

58) амплитудно-фа-

зочастотной

характеристик замкнутой

системы для /гр =

16 град.-1 ,

из которого

находится

резонансная частота соР= 0 ,0 8 4

мин-1 . Сле­

довательно, частоты гармоник должны быть выбраны такими:

 

со1=

=

0,012

мин- 1 ;

ш7 =

0,084 мин- 1 ;

 

со3 =

0,036

мин -1;

 

<т>о =

0,108

мни -1;

 

 

о>5

=

0 ,0 6

мин- 1 ;

 

<аи = 0 ,1 3 2

мин- 1 .

 

Интервал

вычисления графика переходного

процесса

 

 

 

Д< =

: ,83

,83

21,8 мин.

 

 

 

 

и)р

 

 

 

 

 

 

0,084

 

 

 

В табл. 13 приведены значения амплитудно- и фазочастотных характеристик, а также значения вещественной и мнимой характе­ ристик для этих частот, вычисленные по формулам:

Як = Лук (и) cos фук (со);

(III 75)

Лс= Лук(СО) Sin фу« (со).

(Ш -76)

120

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ