Степень затухания

ψ = (Ад2)/Ад обычно задается в интервале от 0,75 до 0,95, в зависимости от особенностей технологического процесса. При больших степенях затухания имеет место большая динамическая ошибка.

Время регулирования рτ , или длительность переходного процесса, определяется временем, по истечении которого отклонение регулируемой величины от нового установившегося значения будет меньше некоторой наперед заданной величины Δ : |hy(τ)-1|≤Δ– для процесса регулирования по каналу управления (см. рис. 8.48, а) и |hB(τ)|≤ΔB– для процесса регулирования по каналу возмущения (см. рис. 8.48, б). Желательно иметь минимальное время регулирования. При этом необходимо учитывать такой факт, что при уменьшении времени регулирования увеличивается динамическая ошибка.

Используются и обобщенные показатели качества переходного процесса, учитывающие одновременно величину динамической ошибки и времени регулирования – интегральные критерии качества. Это площадь под графиком переходного процесса, определяемая интегралом от его модуля:

Iмод = ∫|hB(τ)dτ|→min (8.129)

Вместо этой интегральной оценки можно использовать интегральный квадратичный критерий

Iкв = ∫h2В(τ)dτ→min (8.130)

Расчет параметров настройки регулятора, соответствующих минимуму интегральной оценки, производят при ограничениях, наложенных требованиями технологического регламента на переходный процесс. В замкнутых АСР все элементы оказывают определенное влияние на свойства системы – устойчивость и качество переходных процессов. Наибольшее влияние оказывают свойства объекта регулирования. Например, емкость объекта влияет на выбор типа регулятора. Чем больше емкость, тем меньше скорость изменения регулируемой величины, тем меньшее воздействие должен иметь регулятор, и наоборот.

Свойство самовыравнивания объекта способствует повышению устойчивости системы и действует аналогично действию автоматического регулятора. Если объект не обладает свойством самовыравнивания, то задача управления значительно усложняется. В этом случае нельзя применять интегральные регуляторы.

Наличие запаздывания в объекте всегда ухудшает качество переходного процесса, поэтому нужно использовать любые способы, особенно на стадии проектирования объекта, для уменьшения запаздывания.

Как правило, автоматические системы регулирования разрабатываются еще на стадии проектирования. Используя сведения об аппаратурном оформлении объекта регулирования и реализуемом технологическом процессе, в том числе из действующих аналогичных или родственных производств, выбираются технологические параметры, стабилизация которых позволит получить продукт заданного количества и качества. Если отсутствуют первичные преобразователи для получения текущей информации о параметре или существующие приборы имеют большое запаздывание при получении информации, то выбирают косвенные параметры, стабилизация которых обеспечит стабилизацию основного параметра на заданном уровне. Например, скорость химической реакции и концентрация продукта зависят от температуры в реакторе. Во многих случаях продукт заданного качества можно получить путем стабилизации температуры в реакторе.

Далее изучается возможность наиболее эффективного воздействии на регулируемый параметр, то есть выбирается регулирующее воздействие. Эти проблемы будут решаться ниже, при изучении АСР типовых технологических процессов.

Все другие воздействия на процесс стараются стабилизировать путем создания соответствующих АСР. Если этого сделать нельзя, то воздействие относится к возмущающему. Влияние возмущений компенсируется АСР регулируемых параметров процесса.

Следующий этап создания АСР предусматривает выбор закона регулирования, обеспечивающего заданное качество процесса регулирования в соответствии с требованиями технологического регламента. Как правило, эти требования носят конкретный характер, начиная с типа переходного процесса: апериодический; колебательный с заданным запасом устойчивости; с минимальным значением квадратичного интегрального критерия. Необходимо выбрать тип системы: с позиционным регулятором; с регулятором непрерывного действия; одноконтурная или многоконтурная система регулирования. Для химической промышленности характерно использование регуляторов непрерывного действия в одноконтурных и многоконтурных системах.

Заданное качество процесса регулирования можно обеспечить, используя различные законы регулирования и стандартные рекомендации по их использованию. Решить такую задачу можно последовательным расчетом и анализом одноконтурных систем, начиная с простейших вариантов:

 

1. Выполняется расчет параметра настройки П-регулятора, строится переходный процесс и анализируется его качество. Если требования технологического регламента выполняются, то задача выбора закона регулирования может считаться решенной. В противном случае выполняется вторая итерация.

2. Выполняется расчет параметров настройки ПИ-регулятора, строится переходный процесс и анализируется его качество. Если требования технологического регламента выполняются, то задача выбора закона регулирования может считаться решенной. В противном случае выполняется третья итерация.

3. Выполняется расчет параметров настройки ПИД-регулятора, строится переходный процесс и анализируется его качество. Если требования технологического регламента выполняются, то задача выбора закона регулирования может считаться решенной. В противном случае выполняется четвертая итерация.

4. На основе выполнения трех предыдущих итераций делается вывод о невозможности выполнения требований технологического регламента процесса с помощью одноконтурной системы. Ставится и решается задача построения неодноконтурной системы регулирования и выбора закона регулирования в каждом контуре или использования регулятором дополнительной информации о промежуточном параметре и о внешнем возмущении. Выполняются аналогичные предыдущим итерации до тех пор, пока не будут выполнены требования технологического регламента.

Наиболее сложная проблема заключается в расчете оптимальных параметров настройки регуляторов. К настоящему времени разработано большое количество методов, основанных на использовании организованного поиска, расчетных формул и графиков, с помощью методов оптимизации и т. д. Для упрощения расчетов созданы пакеты прикладных программ, позволяющие автоматизировать процедуры расчета параметров настройки, построения переходных процессов в одноконтурных и неодноконтурных АСР, анализа качества переходного процесса и т. д.

Наиболее просты в применении расчетные формулы и графики. Рассмотрим в качестве примера один из вариантов.

Динамические свойства объекта регулирования с самовыравниванием представляются в виде дифференциального уравнения первого порядка с запаздывающим аргументом:

где T – постоянная времени; k – коэффициент усиления; τ0– время запаздывания. Параметры модели k, T, τ0 находят в результате аппроксимации переходной функции решением дифференциального уравнения первого порядка с запаздывающим аргументом. Для этого проводят касательную через точку перегиба переходной функции до пересечения с осью абсцисс и установившимся значением переходной функции. Только три параметра модели определяют свойства объекта. Это позволяет по экспериментально построенным формулам рассчитывать параметры настройки регулятора одноконтурной АСР:

В результате расчета получим параметры настройки регулятора, обеспечивающие близкий к заданному запас устойчивости одноконтурной системы ψ = 0,9. Проверка результатов расчета производится путем построения переходного процесса в системе с помощью ПЭВМ. При необходимости параметры настройки корректируются, полагая, что полученные в результате расчета значения находятся в околооптимальной области.

Для решения задачи четвертой итерации следует сначала проанализировать структуру объекта, выбрать и построить неодноконтурную систему регулирования или систему с использованием дополнительной информации. Одноконтурные АСР не могут удовлетворить требованиям технологического регламента в тех случаях, когда объект обладает большим запаздыванием и большой инерционностью. Тогда в регулятор вводится дополнительная информация о возмущениях или об изменении специально подобранных величин.

Каскадные системы применяются для регулирования инерционных объектов с запаздыванием по каналу регулирования, если имеется возможность выбрать дополнительную, менее инерционную, промежуточную величину y1 (см. рис. 8.50), которую можно стабилизировать основным регулирующим воздействием. Основной (корректирующий) регулятор Wp (p) предназначен для поддержания основного параметра y на заданном значении. Его выходной сигнал xp служит заданием для вспомогательного (стабилизирующего) регулятора Wp1 (p) который должен обеспечивать быстродействие вспомогательного контура регулирования, за счет чего и достигается более высокое качество переходного процесса по сравнению с одноконтурной системой. Положительной стороной каскадных систем является тот факт, что в контурах используются стандартные регуляторы. Наиболее часто в качестве стабилизирующего выбирают П-регулятор, а в качестве корректирующего выбирают ПИ- или ПИД-регулятор. В случае необходимости число контуров регулирования может быть увеличено до трех.

В системах с компенсацией возмущений (рис. 8.51) повышение качества процесса регулирования достигается за счет использования информации о внешнем возмущении.

Из множества внешних возмущений выбирается возмущение xB наиболее сильно влияющее на качество переходного процесса. Это возмущение измеряется с помощью первичного преобразователя и передается на динамическое устройство – компенсатор Wk (p) , формирующее воздействие xk с учетом динамических свойств одноконтурной системы и объекта по каналу возмущения WOB (p) . Таким образом корректируется с упреждением во времени задание регулятору Wp (p) , чтобы компенсировать влияние возмущения на регулируемый параметр y , не дожидаясь его изменения. Степень компенсации влияния возмущения зависит от возможности физической реализации динамической структуры компенсатора, определяемой из условия неполной инвариантности выходного сигнала относительно возмущения.

Как правило, идеальный компенсатор реализовать не удается из-за невозможности выполнения условия физической реализуемости. Обычно в качестве компенсаторов используют типовые звенья (апериодическое первого порядка и реальное дифференцирующее) или их комбинацию, поэтому при использовании реального компенсатора достигается частичная компенсация влияния возмущения, приводящая к улучшению качества переходного процесса. Для улучшения качества процесса регулирования объектов с распределенными параметрами в регулятор вводится дополнительная информация о скорости изменения промежуточного параметра – АСР с вводом сигнала по производной от промежуточной величины.

Правильно выбранный сигнал из промежуточной точки y1 таких объектов обладает меньшей инерционностью, чем на выходе y . Чтобы обеспечить равенство выходной величины и задания в установившемся режиме, дополнительный сигнал xд (рис. 8.52) в установившемся режиме должен быть равным нулю. Для этого промежуточный сигнал y1 пропускается через реальное дифференцирующее звено Wд (p) = T1p/(T2p+1) и тогда сигнал xд существует только при изменении пара метра y1 .

Системы связанного регулирования используются для стабилизации выходных параметров объектов с взаимосвязанными параметрами (рис. 8.53). Если перекрестные связи между параметрами слабые и ими можно пренебречь [W12(p)≈0 и W21(p)≈0] , то строятся две независимые одноконтурные системы регулирования выходных параметров y1 и y2 . При наличии существенных перекрестных связей параметров объекта добиться устойчивой работы независимых систем невозможно, так как при выходе из равновесия одной системы приходит в движение вторая система, которая будет воздействовать на первую, и т. д. Говорят, что системы раскачивают друг друга, делая их неустойчивыми.

 

Проблема решается с помощью условий автономности и физической реализуемости. Они дают возможность построить и реализовать динамическую структуру дополнительных устройств Wд12(p) и Wд21(p) так, чтобы можно было компенсировать влияние перекрестных связей параметров объекта, что сделало бы одноконтурные АСР независимыми. Использование в качестве дополнительных устройств типовых звеньев ограничивает возможность выполнения условий автономности, поэтому полной независимости контуров регулирования добиться не удается, но обеспечивается устойчивая работа системы связанного регулирования в целом.

Системы регулирования соотношения двух параметров используются для поддержания регулируемого параметра в некотором соотношении с другим параметром (рис. 8.54).

 

Рассмотрим построение системы регулирования соотношения на примере испарительной установки.

В установку подается поток испаряемой жидкости G1 и поток пара G2 , соотношение которых должно быть определенным, т. е. (G1/G2)=k . Поступающее в испаритель тепло должно обеспечивать испарение всей жидкости, сохраняя материальный баланс, который оценивается по уровню жидкости в испарителе. Регулятор соотношения Wp(p) сравнивает текущее значение соотношения потоков и изменяет поток пара G2 так, чтобы поддерживать их соотношение в соответствии с заданным значением k = const. Однако заданное соотношение расходов жидкости и пара может оставаться постоянным, если уровень возмущений, действующих на объект, достаточно низкий. При изменении расхода или температуры испаряемой жидкости будет изменяться интенсивность испарения, что скажется на изменении уровня жидкости в аппарате из-за нарушения материального баланса. В этом случае соотношение расходов жидкости пара в испаритель должно корректироваться регулятором Wk(p) по третьему параметру y – уровню жидкости в испарителе [k = f(y)] .

 

 



r.php"; ?>