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

Самонастраивающийся оптимизатор непрерывного действия дол­ жен самостоятельно анализировать условия протекания процесса, аналогично самонастраивающемуся регулятору. Он должен так изменять регулирующий параметр, чтобы коэффициент передачи объекта в установившемся состоянии отвечал необходимой характе­ ристике. С этой целью нужно непрерывно или периодически опре­ делять изменение коэффициента передачи процесса. Последний,

тором.

Если для получения регулирующего воздействия т при ошибке рассогласования е' используется интегральный регулятор, время интегрирования которого равно R, то

Тогда коэффициент передачи процесса составит

Система проектируется так, чтобы установившееся состояние наступало в том случае, когда коэффициент передачи процесса ста­ новится равным заданному значению Кг. При этом отклонение регулируемого параметра будет равно нулю. Блок-схема такой системы регулирования приведена на рис. VI - 24 .

Оптимизатор такого типа наиболее целесообразно использовать при регулировании быстро протекающих процессов, например про­ цесса горения 1 0 . Если же объект обладает любым, даже небольшим, запаздыванием, вызывающим сдвиг по фазе, это приведет к перере­ гулированию системы. При этом если даже регулятор имеет про­ порциональную и интегральную составляющие, фазовый сдвиг в этом случае из-за наличия нелинейного элемента (делителя) не устра­ няется.

Покажем, что регулятор отрабатывает интегральный закон регу­ лирования. Для этого найдем зависимость т от с при Кг = 0. Так

171

обычно используется фильтр с запаздыванием порядка 0,1 R. По­ следнее приводит к сдвигу по фазе регулятора на — 90° в течении

Шаговый оптимизатор применяется при регулировании медленно протекающих процессов. Принцип его работы основан на периоди­ ческом отыскании оптимального значения регулируемого параметра. При этом используют дискретные величины и > 1 2 . В условиях пре­ дыдущего примера такая работа может быть описана заменой диф­ ференциалов их приращениями:

в состояние установившегося равновесия после каждого нзмепения •выходного сигнала регулятора. По истечении At рассчитывается

Выходной сигнал регулятора изменяется ступенчато пропор­ ционально сигналу рассогласования:

Атп+1=Ксвп

Остальные параметры работы шаговых оптимизаторов аналогичны параметрам работы регуляторов непрерывного действия. Шаговые оптимизаторы используются в основном при регулировании объек­ тов, обладающих большим временем чистого запаздывания.

Экстремальный регулятор1 3 снабжен запоминающим устройством, на вход которого проходят только усиливающиеся входные сигналы. Так, напряжение на обкладках конденсатора (рис. VI-25) будет изменяться только в том случае, если потенциал на входе этой цепи станет выше, чем указанное напряжение. В экстремальном регу­ ляторе знак разности между входными- п выходными сигналами запоминающего устройства определяет направление регулирующего воздействия. При этом выходной сигнал является заданием, вход­ ной — регулируемой переменной, а нх разность — сигналом рас­ согласования.

При рассогласовании, равном нулю, регулирующее воздействиестремится увеличить регулируемую величину. С появлением сигнала рассогласования регулируемая переменная уменьшается и регули­ рующее воздействие начинает действовать в обратном направлении,.

173;

с целью отыскания нового положения экстремума. Это реверсиро­ вание исполнительного органа происходит . сравнительно долго, поэтому соответствующим образом должна быть настроена задержка реверсивного переключателя.

Исполнительный орган при работе с таким регулятором всегда перемещается с постоянной скоростью вверх и вниз. Последнее

Как и в других саморегулирующихся оптимизаторах, в экстремальном регуляторе также имеется интегрирующее устройство. Следовательно, его

нельзя использовать при регулировании объектов, пе обладающих самовыравниванием.

* * #

Таким образом, качество регулирования систем может быть повышено путем усложнения их структурной схемы, основанного на глубоком анализе свойств объектов регулирования. При недо­ статочной информации о процессе в некоторых случаях применяют адаптивные системы регулирования.

Г Л А В А VII

РЕГУЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ С НЕСКОЛЬКИМИ ПЕРЕМЕННЬМИ

В предыдущих главах рассматривались системы регулирования с одним регулирующим воздействием и одной регулируемой вели­ чиной, отклоняющейся от заданного значения под действием воз­ мущений. Однако регулирование процессов получения или очистки продуктов ие может быть обеспечено с помощью только одного контура. При автоматизации даже отдельных технологических ап­ паратов или установок требуется регулировать по крайней мере два параметра: производительность аппарата или установки и качество получаемого продукта.

При наличии в объекте двух регулируемых параметров воз­ никает вопрос о том, каким из регулирующих клапанов должен

174

управляться каждый из этих параметров. Ииогда ответ очевиден, В противном случае для правильного выбора схемы регулирования, необходимо предварительно определить степень взаимодействия вход­ ных величин объекта с выходными параметрами.

Эффективные схемы регулирования технологического объекта могут быть составлены только на основе анализа конкретных усло­ вий его работы. В этой главе рассматриваются различные виды регулируемых и регулирующих переменных; приводится методика составления схем регулирования объектов с несколькими входными и выходными параметрами; излагаются способы определения влия­ ния параметров процесса друг на друга и-методы его компенсации.

Выбор регулируемых параметров

Выбор регулируемых параметров технологического процесса, поддерживаемых на заданных значениях, обычно не труден. Однакоон проводится лишь, после тщательного ознакомления с процессом и его материальным балансом. Прежде чем выбрать регулируемыепараметры и составить схему регулирования, например, ректифи­ кационной колонны, предварительно необходимо получить ответы па следующие вопросы. Какой из продуктов (дистиллят, кубовый остаток или они оба) должен выводиться из колонны с заданным составом, установленным технологическими нормами? Какие пара­ метры процесса являются «неуправляемыми», регулирующими и ре­ гулируемыми? Взаимозависимость каких параметров носит экстре­ мальный характер и каково экономическое значение отдельных параметров?

Грамотный ответ на эти вопросы невозможен без тщательного изучения конкретного процесса ректификации. Только с учетом технологических особенностей процесса можно составить наиболее эффективную схему регулирования. Ниже рассматриваются неко­ торые этапы выбора регулируемых параметров технологического процесса.

Степени свободы процесса. Число степеней свободы процесса определяется числом его регулирующих переменных. При этом для регулирования каждого параметра технологического процесса необ­ ходимо иметь по крайней мере одну регулирующую величину.

Если число регулируемых параметров превышает число регу­ лирующих величин, то недостающее количество последних выби­ рают логическим путем из числа регулируемых параметров. Не ­ сколько примеров такого выбора было приведено выше (стр. 163), Если же число регулирующих переменных превышает число регу­ лируемых параметров, то некоторые из них могут либо не исполь­ зоваться, либо изменяться по определенной программе для обеспе­ чения, например, одного из экономических критериев.

175

puc. V I I - 1 . На систему смешения от заводской установки постукает продукт

е расходом F«, лдбо чистого растворителя В.

Если бы концентрация продукта па выходе из системы смешения у была единственным регулируемым параметром, то для регулирования системы было бы достаточно изменять проходное сечение только одного из регулирующих клапанов. По условию же требуется обеспечить регулирование расхода раство­ ренного продукта А на выходе из системы. Для регулирования этих двух пара­ метров необходимо воздействовать на расходы концентрата п растворителя одновременно.

По лпнип А па регулятор РР* поступает сигнал, пропорциональный задан­ ному значению расхода продукта"^ на выходе. Для получения этого сигнала копцентрацпя продукта во входном потоке х умножается па расход Flt а затем получепное произведение суммируется с текущим значением расхода концен­ трата. Сигнал, пропорцпональиый величине А, для регулятора расхода РРХ является текущим значением регулирующего параметра, а для регулятора расхода РР2 — заданным зпачеипем. Концентрация смеси у устанавливается блоком соотношения, воздействующим через регулятор РР„ на расход раство­ рителя В. Если расход смесп на выходе равен F, то

Fy = А = Fxx + F„

Прп нормальной работе заводскпх установок расход продукта несколько меньше заданного значения суммарного расхода, устанавливаемого регулятором расхода РРХ. Для уменьшения разности между этпмп расходами регулятор РРХ вводит в систему иекоторое количество концентрата. Для одновременного регу­ лирования концентрации продукта в потоке на выходе у регулятор расхода добавляет в спстему некоторое количество разбавителя.

Если расход продукта с заводской установки времеппо превысит заданное значение, то подача концентрата в спстему прекращается. Прп этом количество регулирующих переменных процесса п, следовательно, степеней его свободы уменьшается на единицу. Регулирование общего расхода продукта в этом случае отсутствует, а регулпроваппе концентрации продукта на выходе у обеспечивается путем воздействия на регулирующий клапан, установленный па ЛИНИИ подачи растворителя в спстему.

Аналогичная ситуация могла бы встретиться и в случае, когда расход про­ дукта уменьшился бы так сильно, что клапан па линии подачи концентрата открылся бы полностью.

Следовательно, контуры регулирования составлены так, чтобы в случае •отсутствия в течение некоторого времени возможности изменения расхода кон­ центрата обеспечивалось регулирование концентрация смесп па выходе, а не общего расхода продукта. Прп необходимости регулпроваппе суммарного рас­ хода продукта в таких случаях производится вручную.

Пример V I I - 2 . В качестве примера, пллюстрпрующего второй случай, рассмотрим трубчатую печь, в которой температуру регулируют измененном расхода топлива.

Если в качестве топлива используют нефть и газ, то необходимо учитывать их одновременное потреблеппе, так как для регулирования температуры тре­ буется только одна регулирующая переменная. При составлении схемы регу­ лирования следует принимать во внимание следующие обстоятельства:

1)расход газа может быть ограничен; в этом случае в качестве регулиру­ ющей переменной целесообразно выбрать расход нефти;

2)стоимость газа изменяется в зависимости от времени года, превышая' лногда стоимость иефтп;

3)прп значительном потреблеппи тепла в нагревателе пефть является более экономичным топливом.

Типы переменных величин. Все регулирующие величины, воздей­ ствующие на объект, обычно либо сами являются расходами техно-

Д76

логических продуктов, либо зависят от этих расходов. Исключение возможно лишь в каскадных схемах, предназначенных для регули­ рования не расхода, а других параметров, поскольку выходной сигнал с регулятора основного контура непосредствеино не воздей­ ствует на объект. Регулирование объекта осуществляется путем изменения положения плунжера клапана или задвижки либо путем изменения скорости перемещения рабочих органов насосов или компрессоров с целью изменения расхода продукта. Во всех слу­ чаях для регулирования любого параметра в любом объекте необхо­ димо изменять расход продукта, который поэтому иногда можно рассматривать одновременно в качестве регулируемой и регулиру­ ющей переменной. '

X+ Г

+

Исходный

прод.

г,\

Совокупность нерегулируемых переменных представляет собой нагрузку объекта, от величины и характера изменения которой зависят требования, предъявляемые к системе регулирования. На­ грузка объекта, как и регулирующая переменная, выражается расходом или функцией расхода. В процессах массопередачп на­ грузкой является массовый расход, в процессе передачи энергии — расход энергии. В контуре регулирования уровня, например, один из потоков жидкости представляет собой регулирующую перемен­ ную, а алгебраическая сумма всех остальных потоков ^- нагрузку.

Регулирующая переменная должна соответствовать нагрузке, необходимой для поддержания уровня па постоянном значении. При регулировании температуры воздуха в комнате необходимо подводить тепло по мере его рассеивания через окна, двори и т. п. в окружающую среду. Потери тепла зависят от перепада темпера­ тур внутри и вне комнаты и от других причин. Сумма всех потерь тепла является нагрузкой отопительной системы.

Любое производство проектируют для получения продукта определенного качества. Текущая производственная мощность данного предприятия зависит от его нагрузки, которая определяется по-раз­ ному: в химическом предприятии — по скорости основной реакции; на нефтеперерабатывающем заводе — по расходу сырой иефтп.

Еслп зафиксировать мощность отдельной установки на пред­ приятии, то изменения нагрузки обычно не влияют на нее. Расход же и состав продукта на выходе этой установки не будут постоян­ ными вследствие изменения эффективности ее работы и работы кон­ туров регулирования. Изменения этих" параметров можно рассмат­ ривать как изменение нагрузки по отношению к последующей уста­ новке предприятия и т. д., если рассматривать предприятие как последовательную цепочку звеньев. Таким образом, с постоянной нагрузкой работает только одна установка предприятия, определя­ ющая нагрузку для последующих установок. Эта установка имеет установочную нагрузку (первичную), а остальные — зависящую от нее (вторичную). Некоторые производства всегда являются объек­ тами с вторичной нагрузкой, другие — с первичной.

Впроцессе производства по мере перемещения продукта из

продукта и соответствующим образом влиять на его состав. Коле­ бания расхода продукта можно уменьшить, устанавливая демпфер­ ные емкости.

Качество продукта является основным регулируемым параметром в любой установке производства. Под термином «качество» в данном случае подразумеваются различные параметры: в процессе сушки — содержание влаги в продукте; в теплообменнике — температура или энтальпия выходного потока; в ректификационной колонне — чистота дистиллята или кубового остатка; в верхней части паро­ вого котла :— давление насыщенного пара; в пароперегревателе — температура пара.

Регулирование каждой установки производства должно обеспе­ чивать изменение производительности при неизменном качестве продукта, если это будет вызвано необходимостью изменения режима работы последующей установки.

По мере того как продукт подвергается возмущениям (в про­ цессе переработки), точное регулирование становится все более необходимым. Качество и количество продукта тесно взаимосвя­ заны, что предопределяет следующие два случая, когда применение регулирования может сыграть важную роль в экономике предприятия.

1. Низкое качество регулирования обесценивает продукт. Во избежание этого процессы часто проводятпри небольших скоро­ стях или с большой кратностью рециркуляции. Система регулиро­ вания, обеспечивающая поддержание заданного качества продукта, может окупить себя путем увеличения количества продукта или снижения производственных затрат.

2. Система, обеспечивающая четкое регулирование качества про­ дукта, очень дорога, и ее применение в ряде случаев не может быть оправдано. Если известны экономические зависимости между сто­ имостью и качеством продукта, то система регулирования должна

178

обеспечить такую работу отдельной установки или всего завода в целом, при которой производственные затраты будут минимальны.

Другой тип регулируемых переменных — экономические пара­ метры (эффективность ведения процесса, потери, прибыль), пока­ зывающие, насколько хорошо управляется производство. Как пра­ вило, таких переменных в замкнутых контурах регулирования нет. Выявление этих переменных и относительная оценка их является задачей управления производством. Некоторые производственные процессы не имеют экономических переменных, многие же имеют.

для регулирования следует использовать оптимизирующую регули­ рующую систему с обратной связью. Несколько подобных систем регулирования были описаны в предыдущей главе. Однако в боль­ шинстве случаев экономические переменные непосредственно из­ мерить невозможно, так как они представляют собой довольно сложную функцию многих параметров процесса. В будущем эконо­ мическим параметрам, несомненно, будет уделено большее внимание.

Такие параметры, как уровень жидкости, вес и давление прин­ ципиально связаны с регулированием запаса. Без их регулирования невозможно сохранить материальный или энергетический балансы. Каждая производственная установка имеет хотя бы один из подоб­ ных контуров регулирования, а нередко и больше.

Параметры, определяемые прямым и косвенным методами. Для определения параметра процесса стремятся по мере возможности использовать прямое измерение. В тех случаях, когда это не удается, прибегают к косвенному методу измерения, определяя текущие значения величины, влияющей на искомый параметр. »

Как правило, при косвенном методе измерения параметры од­ новременно зависят от нескольких величин. Благодаря этому между интересующим нас параметром и величиной, измеренной прямым методом, не существует однозначной зависимости (исключение со­ ставляют бинарные системы).

Наличие неизмеряемой величины приводит к дополнительной погрешности измерения технологического параметра. Наиболее рас­ пространенный источник погрешности измерения параметров кос­ венным методом — изменение температуры среды. На температуру, измеряемую косвенным методом, в свою очередь, часто влияет дав­ ление. В табл. 7 приведены наиболее распространенные параметры, измеряемые косвенным методом, и указаны причины возникновения

цию. Если нельзя осуществить автоматическую компенсацию, то влияние температуры на измеряемый параметр должно быть учтено расчетным путем. Допустим, например, что зависимость плотности