1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Цели и задачи анализа и синтеза САУ

Цель анализа - определение устойчивости переходного процесса систем регулирова­ния и определение качества переходного процесса системы автоматического управления.

Синтез - уточнение качества переходного процесса и запаса устойчивости сис­тем управления.

Задачи САР (САУ)- стабилизация технологических параметров регулируемого объекта. САР обеспечивает протекание точного технологического процесса, поэтому при разработке необходимо знать, что является основным объектом регулирования.

Объектом регулирования могут быть аппараты, процессы и т.д., в которых ор­ганизуется физико-химические процессы с целью получения конечного или промежуточного объекта.

Основной характеристикой объекта управления является передаточная функ­ция и переходная характеристика процесса, но по ним нельзя судить об особенностях объ­екта и влияние на него возмущения. Поэтому при анализе САУ необходимо знать динамиче­ские свойства объекта: емкость, самовыравнивание и запаздывание.

Емкость — это способность динамического объекта накапливать или аккуму­лировать в себе материальные или энергетические потоки. Емкость характеризуется коэф­фициентом емкости. Объект управления одноемкостной, это видно из его конструкции. Сле­довательно, ему соответствует запаздывание емкостное и чистое.

Емкостное запаздывание - это время от момента внесения возмущающего воздействия до начала изменения управляемой величины.

Объект управления обладает самовыравниванием, т. к. процесс химический.

Самовыравнивание - это способность объекта приходить после возмущающего воздействия в равновесное состояние без вмешательства, управляющего или регулируе­мого устройства. Самовыравнивание характеризуется коэффициентом самовыравнивания.

1.2 Описание заданной сар (сау)

Бутадиен-концентрат, стирол-ректификат и стирол-дистиллят, непрерывно по­даваемые из емкостей, смешиваются в трубопроводе. Полученная углеводородная фаза ох­лаждается в теплообменнике и поступает в смеситель фаз. Водная фаза, предварительно охлажденная в холодильнике, также поступает в смеситель фаз. Образующаяся в смесителе эмульсия подается в полимеризатор — первый аппарат полимеризационной батареи, со­стоящей из 12 последовательно включенных полимеризаторов.

Процесс полимеризации осуществляется в эмульсии в присутствии компо­нентов окислительно-восстановительной системы и модификатора молекуляр­ной массы при пере­мешивании и пониженных температурах (4...8°С). Для прекращения процесса вводится пре­рыватель полимеризации в смеситель.

Полученный в результате полимеризации латекс содержит незаполимеризовав-

шиеся мономеры (бутадиен и стирол), содержание которых позволяет судить о конверсии мономеров. Для выделения незаполимеризовавшихся моно­меров проводят дегазацию. В колонне происходит удаление основной мас­сы незаполимеризовавшегося бутадиена за счет подачи водяного пара, увлаж­ненного умягченной водой, под небольшим избыточным давле­нием.

Пары воды и углеводородов поступают из колонны в отбойник, где отделяются унесенные капли латекса. Отделенный бута­диен после конденсатора направляется на ком­примирование и последую­щую очистку, а конденсат — стирольная вода — подается на пе­реработку.

На основе этой технологии производим автоматизацию процесса полимериза­ции. Схема автоматизации представлена на рисунке 1.

Автоматизация процессов приготовления эмульсии и полиме­ризации. Крите­рием управления процесса полимеризации является степень конверсии мономеров. Посто­янство этого параметра является одним из важ­нейших условий стабильности свойств полимеров. Выполнение этого условия является целью управления процесса полимериза­ции.

Конверсия определяется чистотой мономеров, составами углеводород­ной и водной фаз, расходами инициатора, модификатора (регулятора) молеку­лярной массы, со­отношением расходом углеводородной и водной фаз, продол­житель­ностью полимериза­ции.

Мономеры, используемые для приготовления углеводородной фазы, должны удовлетворять строгим требованиям по содержанию примесей, оказы­вающих существенное влияние на скорость полимеризации. Устранить многие из пере­численных возмущений при управлении процессом полимеризации невоз­можно.

Нагрузку всего производства по углеводородной фазе стаби­лизируют регулято­ром расхода. Ее состав стабилизируют регулированием соотношения расхода углеводород­ной фазы и расходов бутадиена и стирола дистиллята.

Соотношение расходов углеводородной и водной фаз, угле­водородной фазы и инициатора, эмульсии и модификатора (ре­гулятора) молекулярной массы обес­печивается регуляторами соотношения.

Температура в полимеризаторах автоматически изменяется таким об­разом, чтобы при наличии возмущений была достигну­та цель управления. Для этого предусматри­вается двухконтурная САР, в которой основным является регу­ля­тор конверсии мономеров, а вспомогательными — регуляторы температуры. Чтобы исключить влияние колебаний на­чальной температуры эмульсии на про­цесс полимеризации, температуру углеводородной фазы после теплооб­мен­ника стабилизируют.

Расход прерывателя должен определяться количеством незаполимеризовав­шихся мономе­ров. Это обеспечивается двухконтурной системой, в которой ос­новным является регулятор конверсии мономеров, а вспомогательным — регу­лятор рас­хода прерывателя.

Расход пеногасителя стабилизируют на постоянном значении.

Объектом регулирования является реактор полимеризации, поз. РЕ. Основ­ным критерием управления является температура на выходе.

РЕ-реактор полимеризации; 1-1-датчик; 1-2-вторичный прибор; 1-3- клапан с позиционером

Рисунок 1- Схема автоматизации технологического процесса

2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Анализ САУ объекта

2.1.1 Построение структурной схемы САУ и определение её передаточной функции

Структурная схема САУ необходима для нахождения ее передаточной функции, которая в свою очередь необходима для построения частотных характеристик САУ.

Применение правил преобразования структурных схем систем автоматического регулирования и определения эквивалентных передаточных функций значительно упрощает анализ таких систем.

Сложные структурные схемы реальных систем можно преобразовывать и упро­щать, причем упрощение осуществляется в нескольких этапах. На каждом этапе сначала выделяются группы исходных элементов, соединенных между собой одним из способов (параллельно, последовательно или с обхватом обратной связью), а затем каждая такая группа заменяется одним элементом, эквивалентным этой группе по динамическим свойст­вам.

Х- входная величина; Y-выходная величина; Хт- текущий параметр; Хзд- заданная величина; ∆Х- рассогласование между заданным и текущим параметром.

- апериодическое звено; - усилительное звено; -интегри­рующее звено; - дифференцирующее звено;- апериодиче­ское звено; - апериодическое звено.

Рисунок 2- Структурная схема САУ

На первом этапе заменяется группа параллельно соединенных звеньев

и одним звеном с передаточной функцией

На втором этапе заменяем последовательно соединенные звенья , и заменяем одним передаточным звеном

На третьем этапе заменяют два звена и одним звеном с переда­точной функцией, одно из которых соответствует прямому преобразованию , а другое- обратной положительной связи

После преобразования сложной структурной схемы получили частный случай апериоди­ческого звена, схема динамических каналов представлена на рисунке 3.

X(F)-входная величина; Y(T)-выходная величина; Zо.с.- возмущения окружающей среды; Z(F)- возмущения по расходу; О.У.- объект управления

Рисунок 3 – Схема динамических каналов

2.1.2 Построение частотных характеристик САУ: КЧХ, АЧХ,

ЛАЧХ, ЛФЧХ

Частотные характеристики определяют динамические свойства САУ, и исполь­зуются для их расчета. Частотные характеристики выражают зависимость параметров уста­новившихся выходных колебаний от параметров выходных колебаний при одинаковых час­тотах.

Комплексной частотной характеристикой (КЧХ) или годографом называют сово­купность всех значений комплексного коэффициента передачи при изменении частоты 0...∞ . КЧХ необходима для определения устойчивости САУ. Для того чтобы перейти от переда­точной функции САУ в операторной форме к передаточной функции САУ в комплексной форме. Из формулы

Принимаем =0, получаем

Заменяем P→ jw

Далее необходимо освободиться от мнимости, для этого необходимо числитель и знаменатель домножить на сопряженное число знаменателю.

На следующем этапе отделяется действительная часть от мнимой

Заданы числовые значения коэффициента усиления и постоянной времени:

Т=0,5; К=8

По результатам расчета составляем таблицу 1

Таблица 1 – Результаты расчетов

w
0	8	0
1	6,4	-3,2
2	4	-4
3	2,5	-3,7
4	1,6	-3,2
5	1,1	-2,8
6	0,8	-2,4
7	0,6	-2,1
8	0,47	-1,9
10	0,3	-1,5

На основании расчетов построена КЧХ, представленная в приложении Б.

Рисунок 4- Годограф КЧХ

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) зависимость отношения амплитуд входных и выходных колебаний А_ВЫх/А_Вх от частоты колебаний W. АЧХ необходима для оп­ределения статической ошибки регулирования. Для построения АЧХ решается следующие уравнение

По результатам расчета составляется таблица 2

Таблица 2- Результаты расчетов

w	0	1	2	3	4	5	6	7	8	10
W(w)	8	7,2	5,7	4,5	3,6	3	2,5	2,2	2	1,5

На основании расчетов построена КЧХ, представленная в приложении В

Рисунок 5 – АЧХ

Логарифмические частотные характеристики ЛАЧХ и ЛФЧХ также применяются в расчетах САР, в частности для определения устойчивости и запаса устойчивости САУ. Они определяют простую связь между динамическими характеристиками отдельных элементов систем. Логарифмические частотные характеристики используются для описания динамических параметров различных устройств. Для нахождения логарифми­ческих характеристик САУ необходимо вернуться к передаточной функции САУ в комплекс­ной форме без мнимости в знаменателе.

- ЛАЧХ

-ЛФЧХ

Определяем ЛАЧХ

Находим ЛФЧХ

На основании расчетов построена ЛАЧХ и ЛФЧХ, представленная в

приложении В.

Рисунок 6 – ЛАЧХ и ЛФЧХ

Для определения устойчивости САУ также используются временные характеристики. Временная характеристика- изменение выходной величины во времени при подачи на её вход типового апериодического воздействия ( единичное ступенчатое воздействие). Для построения временной характеристики САУ необходимо вернутся к передаточной функции САУ в операторной форме.

Составляем таблицу для построения временной характеристики

Таблица 3- Результаты расчетов

t	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	∞
h(t)	1	1,25	2	3,25	5	7,25	10	12,25	17	21,25

На основании расчетов построена временная характеристика, представленная в приложении Г

Рисунок 7- Временная характеристика