Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системный анализ химико-технологических процессов как объектов управления и методы настройки регуляторов. Учебное пособие
.pdf
2.2. Сложные объекты
0
t
n
τ
a
T
Выше были рассмотрены три идеальных звена, которые являются
основой для описания подавляющего большинства объектов, эксплуатируемых в промышленности. Даже такой простейший объект, как
контур регулирования расхода, имеет инерционное звено – клапан,
который не может мгновенно принять значение, соответствующее поступившему сигналу – MV, а делает это в соответствии с кривой
(рис. 8).
Для примера, теплообменник – объект многоемкостной, включаю-
щий некоторое количество инерционных звеньев (простых одноемкостных звеньев), к которым следует отнести металл теплообменника,
массу нагреваемого потока, массу охлаждаемого теплоносителя. На
реальном объекте такого типа практически всегда присутствует чистое запаздывание, которое обусловлено длиной и диаметром
труб, по
которым протекает продукт от зоны активного теплообмена до датчика температуры, инерционность самого датчика и др.
На рис. 10 представлены экспериментально полученные переходные процессы в сложных многоемкостных объектах, содержащих ряд
последовательно включённых простых статических звеньев. Качественно эти кривые явно отличаются от идеальных кривых, представленных на рис. 8 и 9, начальным участком. Иногда такие объекты удаётся описать аналитически с помощью чистого запаздывания и двухтрёх статических звеньев. Такой подход предусматривает замену реального объекта некой моделью, которая с той или иной точностью
описывает реакцию объекта на скачкообразное возмущение.
В данной работе рассмотрен наиболее простой, но эффективный
подход, при котором переходные процессы (кривые 1, рис. 10) аппроксимируются звеном чистого запаздывания и статическим или астатическим звеном, как это представлено кривыми 2 на рис. 10. При
таком подходе становится возможным определить параметры настройки ПИД-регулятора по уже имеющимся результатам предварительно проведённых расчетов.
На рисунках использованы следующие обозначения:
– момент нанесения возмущения;
τ,
– время чистого запаздывания;
T – постоянная времени статического объекта;
– время интегрирования астатического объекта.
21
Рис. 10. Аппроксимация кривых разгона
Некоторые характеристики объектов могут быть получены операторами, ведущими конкретный технологический процесс или специалистами, занятыми исследованием рассматриваемого процесса.
Так, опытный оператор знает, насколько необходимо изменить положение клапана (или расход материального или энергетического потока в каскадных контурах) для статических объектов, чтобы регулируемый параметр изменился на нужную величину. Тогда коэффициент усиления объекта можно определить, разделив изменение параметра на изменение положения клапана (или расход материального
или энергетического потока). При этом надо иметь ввиду, что обе величины должны быть выражены в процентах шкалы этих переменных.
Для астатических объектов (уровней) время Т
а, с учётом обеспече-
ния устойчивости контура регулирования уровня во всём диапазоне
изменения расходов, поступающих и выходящих из аппарата, может
быть определено путём деления рабочего объёма жидкости в аппарате
на максимальный расход потока, на котором установлен клапан.
Рассмотрим в качестве сложного объекта узел подготовки нефти,
предназначенный для удаления из неё попутного газа. Нефть поступает в теплообменник Т-1, где нагревается водяным паром до темпе-
22
ратуры 140°С, и далее направляется в сепаратор С-1, где из нефти
удаляются остатки попутного газа (рис. 11).
Рис. 11. Мнемосхема технологического процесса подготовки нефти
Схема использует два простых регулятора: регулятор уровня и регулятор давления в сепараторе С-1, которые находятся в режиме
«АВТ». В схеме имеется также каскадный регулятор подачи греющего
пара с коррекцией по температуре нефти на выходе из теплообменника Т-1, оба регулятора которого находятся в режиме «РУЧ». Кроме
того, в схеме используются измеритель расхода нефти и измеритель
температуры нефти, которые установлены на входном потоке установки.
С помощью кнопки «настройка параметров объекта» (рис. 11), мы
можем изменять его динамические характеристики в значительных
пределах.
При нажатии на эту кнопку на экран выводится панель, вид которой приведён на рис. 12.
23
Рис. 12. Панель задания параметров объекта управления
В данном варианте нагревателя температура со стороны греющего
пара во всех точках принята одинаковой.
Коэффициент скорости теплопотерь определяет скорость падения
температуры при прекращении подачи теплоносителя.
Объем чистого запаздывания – это объем трубопровода от зоны те-
плообмена до измерителя температуры, который определяет время
чистого (транспортного) запаздывания в контуре регулирования температуры.
Размеры сепаратора и величина уровня жидкости определяют постоянные времени в контурах регулирования уровня и давления в нём.
Объем всех зон нагревателя соответствует объему части аппарата,
через который протекает нагреваемый продукт (нефть), что определяет инерционность объекта.
Количество зон теплообмена соответствует количеству зон полного
перемешивания, и определяет форму переходного процесса.
Коэффициент теплопередачи определяет коэффициент усиления
объекта.
24
Для дальнейшей работы примем параметры нагревателя и сепаратора соответствующими величинам, приведённым на рис. 12.
На реальном объекте всегда имеются «шум», вызванный различными возмущениями, характерными для каждого конкретного объекта. Для данного объекта можно выделить каналы, наиболее подверженные возмущениям: расход питания (зависит от производительности месторождения, на котором добывается нефть), температура питания (зависит от температуры в месте, где проложен трубопровод на
месторождении), расход пара (зависит от параллельных потребителей
или от близости параметров пара к состоянию насыщения). Для большего приближения к реальным условиям эксплуатации установки,
следует кнопкой «настройка генераторов шума» вызвать панель выбора канала (рис. 13), на который наложено возмущение, после чего
появится панель выбора формы и амплитуды шума (рис. 14).
Рис. 13. Панель выбора потока, на который наложено возмущение
Используя панельку рис. 14, можно воспроизвести форму и величину зашумлённости любого параметра процесса.
Если установить вариант генерируемого сигнала равным нулю, то
величина сигнала становится постоянной и равной величине, указанной в той же строке. Эту величину можно вводить вручную.
Чтобы включить / отключить процедуру генерации сразу всех генераторов, следует воспользоваться надписью «Генераторы шума
ВКЛ / ОТКЛ» на панельке (рис. 11).
25
Рис. 14. Панель установки формы и величины зашумлённости пара-
метров
Задание 5
1. Вызовите на выполнение программу «Трен_2». На экране поя-
вится схема технологической установки, представленной на
рис. 11. Внимательно ознакомьтесь со схемой, вспомните её
назначение и особенности.
2. Определите свойства объекта, используя кнопку «настройка
параметров объекта» на панели рис. 12.
3. Выберите канал «расход питания» на панели рис. 13 и, не об-
ращая внимания на состояние системы регулирования и состояние объекта, последовательно переключайте варианты
генерируемого сигнала шума в соответствии с панелью рис.
14.
4. Наблюдайте варианты генерации на графике в режиме
«Trend».
26
3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПИД-РЕГУЛЯТОРОВ
e dt
de
MV Кр e D
I dt
⋅
= ⋅+ +⋅
∫
Р
Кр
100
=
Задачей любого регулятора является обеспечение заданного зна-
чения регулируемого параметра путём воздействия на соответствующий материальный или энергетический поток, т.е. действия любого
регулятора направлены на устранение рассогласования между текущим и заданным значениями регулируемого параметра.
Пропорционально интегрально дифференциальный (ПИД) регуля-
тор имеет три компонента, и его упрощенная формула может быть
представлена в следующем виде:
. (14)
Где:
MV – выходной сигнал регулятора;
– коэффициент усиления регулятора;
Р – диапазон пропорциональности регулятора;
e = PV – SP – отклонение параметра от заданного значения;
I – время интегрирования регулятора;
D – время дифференцирования регулятора.
Как видим, сумма трёх компонент определяет выходной сигнал регулятора, причём, если рассогласование и его скорость равны нулю, то
величину выхода определяет величина интеграла, полученного на
предыдущих шагах
Алгоритм регулирования, реализуемый по формуле (14), называется «позиционным» алгоритмом.
Реально алгоритм регулятора выполняется дискретно, как и все
программы, реализуемые в системе управления (сбор и обработка информации, реализация программ всех регуляторов, формирование выходных сигналов и т.д.). За один такт работы системы должны быть
выполнены все эти программы, в следующем такте этот процесс повторится снова, и так далее.
Для реализации регуляторов чаще применяется «скоростной» алгоритм, который отличается от выражения (14) тем, что он рассчитывает
не величину выходного сигнала регулятора, а приращение, на которое
должен измениться этот сигнал:
27
∆∆⋅
∆
+⋅
∆
+∆⋅=∆ )( e
T
D
e
I
T
eKMV
p
. (15)
1−
−=∆
tt
eee
T∆
Где:
– приращение отклонения за такт;
– время такта работы системы (в нашем случае равно 1 сек).
Приращение, рассчитанное по (15), плюсуется к содержимому выходной ячейки памяти вычислителя, реализующего алгоритм регулирования. Затем сигнал, сформированный в этой ячейке, подаётся на
клапан (или как заданная величина регулятору в каскадном контуре).
Поэтому в случае переключения из режима автоматического в режим
ручного управления выходная ячейка готова к работе с ручным вводом, и, наоборот, при включении автоматического режима регулятор
начинает работу с величиной, содержащейся в выходной ячейке, чем
обеспечивается «безударность» переключения режимов работы регулятора.
По аналогии с типами объектов рассмотрим реакцию каждой составляющей регулятора на одинаковый для всех сигнал отклонения е
(рис. 15).
Как следует из рисунка, пропорциональная составляющая (кривая
б) полностью воспроизводит ломаную кривую отклонения (а) в масштабе, соответствующем величине Р.
Интегральная кривая (в) растет по нелинейному закону, если отклонение растёт или уменьшается (чем больше отклонение, тем быстрее растёт интеграл), и по линейному, если отклонение постоянно.
Дифференциальная составляющая регулятора (г) появляется только
в том случае, когда имеет место изменение величины параметра (эта
составляющая пропорциональна скорости изменения параметра). При
неизменной величине параметра она равна нулю.
В системе YOKOGAWA настроечные параметры регуляторов P, I и
D могут изменяться в следующих пределах:
– диапазон пропорциональности Р от 0,1 до 1000 %;
– время интегрирования I от 0,1 до 10000 сек.;
– время дифференцирования D от 0 до 10000 сек.
28
Рис. 15. Реакция каждой составляющей регулятора на сигнал отклоне-
ния е
Следует иметь в виду следующие особенности регуляторов в данной системе.
1) При установке D = 0 дифференциальная составляющая
отключается.
2) При установке Р = 0 отключатся пропорциональная и
дифференциальная части алгоритма и будет работать только
интегральная часть, при этом в формуле (16) принимается
К
р = 1.
29
3) При установке I = 0 или при выборе I вне указанного
диапазона работа алгоритма прерывается, но никаких сообщений не выдаётся.
Кроме того, панель настроек регулятора (рис. 16) содержит параметры, влияющие на работу регуляторов, а именно:
− SVH – верхний предел задания (SV);
− SVL – нижний предел задания (SV);
− MH – верхний предел выходного сигнала (MV);
− ML – нижний предел выходного сигнала (MV);
− P, I, D – настроечные параметры (уже рассмотренные
выше);
− GW – ширина диапазона нелинейного действия регуля-
тора;
− DB – ширина зоны нечувствительности;
− СК =1,0 или 0 – компенсационное усиление;
− СВ – компенсационное смещение;
− PMV – заданный выходной сигнал регулятора MV.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]