книги из ГПНТБ / Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов

С пульта управления с определенной частотой в блокп соотно­ шения направляются импульсные сигналы. Частота последних за­ висит от величины соотношения, установленного в каждом блоке, и соответствует заданному для данпого контура расходу. Далее дискретные сигналы поступают в регулятор, который снабжен счетным импульсным устройством. Если импульсы подаются в это устройство от задатчика, то они суммируются, а если от датчика текущего значения параметра, то вычитаются. Разность между

числом импульсов, посылаемых от обоих источников, запоминается и преобразуется в непрерывный по времени сигнал, который напра­ вляется на регулирующий клапан. При этом спгпал, подаваемый на клапан, пропорционален интегралу от рассогласования величин /• и с во времени, т. е. имеет место интегральное регулирование и дей­ ствует только астатическая составляющая. Обозначим через Y рассогласование между текущим и заданным значениями параметра (в объемных единицах), необходимое для изменения выходного сиг­ нала на 100%, а через F — максимальный расход. Тогда выходной

Поскольку на выходе счетного устройства формируется импульс­ ный сигпал, шток клапана перемещается скачками. Один скачок штока соответствует примерно 1 % его полного хода. Клапан будет стремиться реагировать на каждый импульс, поданный па него. Но так как большинство клапанов не воспринимает сигналы с ча­ стотой выше 100 импульсов в секунду, то перемещение штока будет плавным.

При интегральном законе регулирования отклонение параметра (расхода среды) от заданного значения теоретически уменьшается

160

до нуля, но интегральная ошибка не ликвидируется. Рассмотрим характер изменения расхода среды с начального момента, как это показано на рис. VI - 12 .

Из рисунка видно, что для достижения задаппого значения рас­ хода требуется некоторое время. Несмотря на то, что отклонение текущего значения расхода от заданного может с течением времени стать равным нулю, имеет место довольно большая интегральная ошибка регулирования, равная площади между кривыми заданного

ваналоговый; 3 — ПИ-регулятор.

итекущего значепни параметра. Интегральная ошибка Е, опреде­ ляющая величину регулирующего выходного сигнала, равна

Действительное значение объемной ошибки регулирования пред­ ставляет собой произведение величины Е (в%) на максимальный расход F:

чению расхода среды соответствует определенная объемная ошибка. На пульте управления обычно располагают два регистрирую­ щих счетных устройства — одно для регистрации заданного, дру­ гое для регистрации текущего суммарного расхода среды. Объем­ ная ошибка возникает при разности показаний обоих счетных устройств, равной 5—10 импульсов. В установившемся состоянии частота подачи импульсов в обоих устройствах одинакова, поэтому объемная ошибка постоянна. При регулировании непрерывных процессов с подачей больших количеств веществ величина объем­ ной ошибки не имеет значения, так как число соответствующих ей импульсов пренебрежимо мало по сравнению с их большим числом, достигающим нескольких тысяч. При небольших же расходах мате­ риалов, когда общее число импульсов составляет сотни, объемная

ошибка может привести к значительным погрешностям.

Из этого затруднения можно выйти, дополнив систему вторым интегрирующим элементом — интегральным регулятором. Нотогда контур регулирования теряет устойчивость, так как фазовый сдвиг для любого периода колебаний становится равным 180°. Включив в систему регулирования ПИ-регулятор, можно сделать ее устойчи­ вой. Схема регулирования такого тппа приведена на рис. VI-13.

На выходе счетного устройства возникает сигнал рассогласова­ ния между заданным и текущим значениями расходов, который

.можно записать в виде

EF=$F{r—c)dt

Проходя через преобразователь, дискретные сигналы преобра­ зуются в аналоговые и далее поступают на ПИ-регулятор. Исполь­ зуя равенство (VI,7) и учитывая пропорцпональио-интегральыую составляющую R2, получим:

" • - ^ ( - f r + T f k J " ' )

из которого видно, что объемная ошибка прп дополнительном вклю­

а также двух интегрирующих элементов будет приводить к воз­ никновению предельных колебаний (см. гл. V). При регулировании расхода позиционеры, как правило, использовать не рекомендуется, однако в данном случае, в связи с большим периодом колебаний контура регулирования, их применение позволяет предотвратить лредельные колебания.

Системы избирательного регулирования

Часто требуется, чтобы с целью повышения экономичности •процесса, увеличения производительности оборудования или обес­ печения безопасности производства два и более параметра не превышали определенные предельные значения. При этом обычно бывает необходим логический отбор регулируемых перемеипых.

162

Задачи такого рода встречаются при проектировании систем авто­ матической защиты и блокировки оборудования, при разработке систем экстремального регулирования, в случае необходимости дуб­ лирования средств автоматизации, при регулировании нелинейных ' объектов.

В качестве примера системы автоматической защиты рассмотрим схему регулирования компрессора, на выходной линии которого установлены регуляторы расхода и давления. При работе регулятора расхода регулятор давления не должен допустить подъема давле­ ния выше заданного предела. При работе же регулятора давления регулятор расхода должен препятствовать превышению заданного предельного значения расхода.

Р. Г,

Схема регулирования компрессора и график переходного процесса приведены на рис. VI-15. Выходные сигналы регуляторов давления и расхода направляются в блок предельного значения параметров, а затем подаются на регулятор, изменяющий число оборотов двига­ теля компрессора. В случае превышения предельных значений давления и расхода изменяется число оборотов двигателя и соот­ ветствующий параметр не выходит за заданные пределы.

Системы избирательного регулирования применяют при необ­ ходимости ведения процесса по максимальному или минимальному значениям какого-либо параметра, причем экстремальное значение параметра может меняться. Рассмотрим пример поддержания мак­ симальной температуры в реакторе с неподвижным слоем (рис. VI - 16) . В зависимости от старения катализатора, изменения рас­ хода и других причин зона с максимальной температурой может перемещаться. В этом случае измеряют и сравнивают текущие значения температур в различных зонах по длине реактора н мак­ симальную температуру используют для регулирования процесса.

К дублированию средств автоматизации прибегают в ответствен­ ных случаях, когда необходимо гарантировать работу контура регулирования, несмотря на возможные отказы приборов. Дубли­

по своей надежности уступают другим приборам, поэтому в от­ ветственных схемах регулирования их целесообразно дублировать. Система регулирования, работа которой не нарушается в случае

с питанием колонны сырьем. Это отношение при нормальной работе

к уменьшению количества жидкости, находящейся па тарелках. Точно так же необходимо ограничить и слишком большую подачу теплоносителя в колонну, поскольку это может привести к режиму захлебывания. Указанные функции выполняет блок ограничения верхнего и нижнего значений регулируемого параметра, введенный в контур регулирования и показанный па схеме.

Защита регулятора от ухода с режима при отключении. При се­ лективной работе в контуре регулирования двух и более регуляторов в момепт работы одного из них остальные отключаются, их контуры регулирования размыкаются. Если такие регуляторы имеют аста­ тическую составляющую, что часто встречается на практике, то прп размыкании контура их необходимо предохранить от ухода с режима. Это можно выполнить, используя выходной сигнал работающего регулятора в качестве общей обратной связи всех остальных регу-

.ляторов. Так как контур регулирования с работающим в дапиый

.момент регулятором замкнут, астатическая составляющая этого регулятора работает нормально. Остальные регуляторы при этом •будут иметь пропорциональную характеристику.

На рис. VI - 19 приведена схема включения регуляторов давле­ ния и расхода, использованных прп регулировании работы ком-

164

прессора (см. рис. V1-15). Автоматическое выключение одного регу­ лятора и включение другого происходит в момент, когда их выход­ ные сигналы равны. Предположим, что в данный момент регулятор

У

Рис. VI-18. Регулирование подачи водяного пара с ограни­ чением верхнего и нижнего значении (БО —блок ограничений).

расхода включен в контур регулирования компрессора и его выход­ ной сигпал меньше, чем выходной сигнал регулятора давления. Тогда выходной сигнал регулятора расхода

лирования наступают моменты одновременного отключения всех регуляторов контура. Для предотвращения этого необходимо сигнал с выхода селективного блока подать в линию общей обратной связи контура регулирования.

165

Отметим, что регулятор, выходной сигнал которого подается

Адаптивные системы регулирования

К адаптивным относятся системы регулирования, в которых параметры настройки автоматически меняются с целью компенса­ ции изменений определенных свойств процесса. Иначе говоря, система «приспосабливается» к изменяющимся требованиям про­ цесса. Построение адаптивной программы должно быть основано на каком-либо критерии. Кроме заданного значения регулируемого параметра, для адаптивных систем нужно зпать еще «объективную функцию» регулируемой переменной, которая п является основой для определения характера требуемой адаптации.

Объективной функцией процесса может служить, например, степень демпфирования регулируемой переменной. В этом случае система будет иметь два контура регулирования, один из которых управляет регулируемой переменной, другой — степенью демпфиро­ вания. Так как последняя определяется динамическим коэффициен­ том передачи контура, такие системы называются динамическими адаптивными спстемамп регулирования.

В качестве объективной функции можно выбрать установившееся значение коэффициента передачи процесса. Система регулирования в этом случае называется установившейся и практически мало отличается от предыдущей.

Адаптивные системы могут различаться i i по механизму введения • адаптации. Если известно, что при изменении параметров настройки, связанных с переменными процесса, изменяются его свойства, то адаптацию называют программной. Однако если необходимо, чтобы

Динамические адаптивные системы. У динамических адаптивных систем объективная функция определяет изменение задания контуру регулирования с целью последовательного приближения регули­ руемой переменной к установившемуся значению. В этом случае объективной функцией регулируемого параметра является динами­ ческий коэффициент передачи контура.

При изменении свойств объекта коэффициент передачи контура может меняться, причем у одних объектов он меняется нелинейно в установившемся состоянии, у других зависит от периода колебаний контура. Однако независимо от действия механизма демпфирования контура можно соответствующей настройкой динамического коэф­ фициента передачи регулятора возвратить динамический коэффи-

166

циент передачи контура к его первоначальному значению. Это оз­ начает, что в первую очередь будет достигнута степень демпфирова­ ния, исключающая возникновение предельных колебаний в контуре.

Выше были рассмотрены примеры объектов с изменяющимся коэффициентом передачи. Как правило, эти изменения компенси­ ровались введением в систему регулирования элементов, обладаю­ щих селективными нелинейными функциями. Например, характе­ ристика регулирующего клапана обычно выбирается с учетом этого условия. Однако такой метод по ряду причин не всегда позволяет скомпенсировать имеющиеся нелинейности контура, так как воз­ можны следующие случаи:

1) источник изменения коэффициента передачи находится вне контура регулирования и, следовательно, не зависит от входных

ивыходных сигналов регулятора;

2)требуемая компенсационная функция зависит от комбинации нескольких переменных;

3)коэффициент передачи объекта с течением времени изменяется. Рассмотрим наиболее простую адаптивную систему — систему

регулирования теплообменника одно емкостного объекта с перемен­ ным временем чистого запаздывания-, изменяющимся обратно про­ порционально расходу (стр. 64). Если в таком контуре регулиро­ вания отсутствует адаптация на возмущающее воздействие, то для компенсации нелинейного изменения расхода используют клапан с логарифмической характеристикой. Такой метод приемлем, но коэффициент передачи контура в этом случае зависит от амплитуды колебаний регулируемой переменной. А так как параметр, влияю­ щий на коэффициент передачи процесса (расход), находится впе контура регулирования, то возникновение погрешности неизбежно.

При программированной же настройке параметров регулятора в зависимости от расхода эту погрешность можно полностью исклю­ чить. Поскольку период колебаний контура регулирования прямо пропорционален времени чистого запаздывания, то время предва­ рения и время изодрома регулятора должны изменяться при регу­ лировании обратно пропорционально расходу. Динамический же коэффициент передачи объекта обратно пропорционален расходу, поэтому изменение диапазона пропорциональности регулятора дол­ жно быть также • обратно пропорционально изменению расхода. Зная это, можно написать алгоритм адаптивной системы регулиро­ вания расхода:

»=^(«-^И+ 7 -1) ( V . . » ,

Здесь символ адаптации / — относительный расход среды, прохо­ дящей через объект, а Р, R и D — оптимальные настроечные пара­ метры регулятора при максимальном расходе. Введя / в скобки, получим:

167

Из этого уравнения следует, что дифференциальная составляющаяне нуждается в адаптации, а интегральную нужно дважды умно­ жить на относительный расход.

На рис. V I - 2 0 приведена схема адаптивного контура регулиро­ вания с ПИД-регулятором расхода и двумя множительными устрой­ ствами, соответствующая уравнению (VI,14). При изменении рас­ хода методом переменного перепада давления можно, умножая величину рассогласования на / 2 (относительный расход), получить большую точность члена, отражающего интегральную составляющую регулятора. Тогда схема контура регулирования должна быть со­ ответствующим образом скорректирована.

г\

Рпс. VI-20. Схема адаптпвпого регулятора расхода.

Самонастраивающиеся регуляторы также предназначены для ре­ гулирования степени демпфирования контура. Такие устройства действуют лпшь при наличии отклонения системы от установивше­ гося состоянпя. При этом в качестве контролируемого сигнала выбирают либо периодические возмущения, наносимые на систему, либо ее собственные колебания. Каждый из этих методов имеет своп недостатки. Недостатком первого является принудительный вывод контура регулирования из установившегося состояния.

При работе же по второму методу текущая величина коэффици­ ента передачи контура регулирования до момента выхода его из установившегося состояния неизвестна. Коэффициент передачи кон­ тура в этом случае может быть определен лишь после нарушения равновесия системы и появления рассогласования: после этого параметры настройки регулятора постепенно начнут меняться, пре­ дотвращая перерегулирование в системе. При этом кривую переход­ ного процесса можно разложить на высокочастотную и низкоча­ стотную составляющие, отношение которых в демпфирующей си­ стеме представляет собой динамический коэффициент передачи замк­ нутого контура регулирования. На рис. V1-21 показана кривая переходного процесса и ее составляющие при изменении нагрузки в контуре регулирования.

Таким образом, при работе по этому методу сначала находят степень демпфирования контура регулирования, а затем опреде­ ляют настройки регулятора. Последнее выполняется аналогично тому, как это производилось в системе регулирования с обратной связью.

168

Схема самонастраивающегося контура приведена на рис. VI.-22. В этом контуре устанавливается определенное соотношение между высокочастотной и низкочастотной составляющими. Элемент с зоной нечувствительности не пропускает шумы и незначительные возму­ щения, что предохраняет коэффициент передачи контура от их воздействия. Астатическое звено, используемое в схеме, служит для установления в состоянии равновесия системы корректирующего сигнала, значение которого зависит от коэффициента передачи

сдвига фаз в фильтрах и интегрирующем устройстве. Следова­ тельно, адаптивный контур реагирует на возмущения значительно медленнее, чем основной. Поэтому при внезапном пзмеиении коэф­ фициента передачи процесса (аналогично работе системы, показан­ ной па рпс. 11-14) действие адаптивного контура незначительно (программная адаптивная система, приведенная на рис. V1-20, в этом случае работала бы лучше).

По сравнению с системами с самонастраивающимися регулято­ рами программные адаптивные системы регулирования обладают большим быстродействием, практически безынерциоппы, менее до­ роги и более надежны. Эти системы уже используются в промышлен­ ности при регулировании температуры в прямоточных паровых котлах п теплообменниках.

Адаптивные системы регулирования в установившемся состоянии. Если динамическая адаптивная система воздействует на пере­ менный динамический коэффициент передачи контура, последний становится равным коэффициенту передачи объекта в установившемся

состоянии.

Рассмотрим регулирование процесса горения, к. п. д. которого определяется соотношением компонентов топливовоздушной смесп,

169