Файл: Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов.pdf

При наличии взаимодействия регулирование объекта сложнее, чем без него. Независимость отдельных контуров можно обеспечить, нарушив взаимосвязь между параметрами объекта с помощью средств вычислительной техники. При наличии внутренних взаимосвязей в объекте один клапан может воздействовать сразу на несколько регулируемых параметров. Для нарушения этих взаимосвязей один регулятор должен воздействовать одновременно на несколько кла­ панов системы регулирования.

Рассмотрим задачу проектирования системы регулирования слож­ ного объекта, например ректификационной колонны с пятью регу­ лируемыми (пропускная способность, состав дистиллята, состав кубового остатка, уровень кубового остатка, уровень в сборнике) и пятью регулирующими (расходы исходного продукта, дистиллята, флегмы, пара и кубового остатка) взаимосвязанными параметрамп.

Указанные переменные можно соединить друг с другом внешними •связями множеством различных способов. При внутреннем взаимо­ действии между ними, что обычно имеет место, даже самый лучший вариант системы регулирования колонны не сможет обеспечить высокое качество регулирования. Наилучшей будет та, которая обеспечивает полную компенсацию взаимосвязей в объекте н является зеркальным отражением модели объекта в равновесном состоянии. Метод составления таких систем рассматривается ниже. Примеры применения таких систем для автоматизации наиболее часто встречающихся объектов с несколькими регулируемыми парамет­ рами разобраны далее.

Система регулирования — отражение модели объекта. Математи­ ческой моделью объекта называют уравнепия, отражающие внутрен­ ние взаимосвязи между регулируемыми и регулирующими перемен­ ными объекта. Идеальная система регулирования изменила бы все регулирующие параметры таким образом, чтобы регулируемые переменные находились вблизи заданных значений. Математические описания такой системы и объекта должны иметь одинаковую струк­ туру, но первое должно быть разрешено относительно регулирующих величин. Следовательно, регулирование объекта, описанного конкрет­ ной математической моделью, возможно с помощью только одной системы, составленной в соответствии с этой моделью.

Допустим, что математическая модель процесса известна. Тогда с помощью средств вычислительной техники можно составить систему регулирования, которая будет решать те же уравнения, ио только относительно регулирующих величин.

В каждом контуре регулирования существуют три вида инфор­ мации: заданное и текущее значения регулируемого параметра и выходной сигнал регулятора. Сигнал рассогласования не может быть использован в вычислительной машине, поскольку при равно­ весном состоянии процесса он практически отсутствует. Из всех видов информации наиболее целесообразно в качестве входных

191

данных использовать заданные значения параметров, поскольку они отражают точные требования к системе регулирования п не зависят от процессов в контурах регулирования. Если для ликви­ дации взаимодействия контуров регулирования использовать теку­ щие значения регулируемых параметров, то формирующаяся поло­ жительная обратная связь будет уничтожать эффект регулирующего воздействия, что в конечном итоге приведет к отклонению регули­ руемых параметров от заданных значений.

Текущее значение выходного спгпала регулятора обратной связи обычно неизвестно заранее (если бы оно было известно пли с доста­ точной точностью прогнозировано, то необходимость в регуляторе отпала бы). В процессе работы регулятор автоматически устанавли­

котором определяются все остальные неизвестные величины. Таким образом, выходной сигнал регулятора содержит больше информации, чем регулируемый параметр или задание. Например, заданное значение параметра не указывает иа изменение нагрузки, поэтому для ликвидации влияния внутренных перекрестных связей объекта чаще всего используют выходные сигналы регуляторов. Принци­ пиальная схема системы регулирования объекта с взаимозависи­ мыми регулируемыми величинами, компенсирующая влияние.виз^тренних связей объекта по перекрестным каналам, приведена-на рпс. V I I - 7 .

Спроектируем систему регулирования, компенсирующую влияние внутренних перекрестных связей между переменными процесса смешения, рассмотренного в примере V I I - 4 . Математическая модель этого объекта, разрешенная относительно т1 и m 2 , имеет следующий вид:

Если бы F и х были заданными значениями регулируемых пара­ метров, то из первого выражения следовало бы, что величина т1 должна быть регулирующей переменной разомкнутого контура регулирования. Если бы при этом достигалась высокая точность

192

регулирования, то поставленная задача была бы решена. В действи­ тельности же величины Fax представляют собой выходные сигналы регуляторов. Допустим, что в нашем примере выходным сигналом регулятора состава смеси является величина nix, а регулятора расхода — величина ?nF (соответственно вместо х и F ) .

Тогда

объекта с внутренними перекрестными связями и системы регулиро­ вания, полностью ликвидирующей влияние этих связей на отдельные регуляторы (эта система аналогична той, что показана на рис. V I - 1 0 ) .

Проанализируем работу контура. Если при произвольном изме­ нении mF величины тх и т2 изменяются в одном направлении и в опре­ деленном соотношении, это не повлияет на регулирование состава смеси. При изменении тх величины т1 и т2 будут изменяться в про­ тивоположных направлениях, вследствие чего общий расход про­ дуктов, поступающих на смешение, не меняется.

В любой момент времени оба контура регулирования не влияют на работу друг друга. Заметим, что изменение заданного или теку­ щего значения регулируемого параметра любого регулятора приво­ дит к перемещению обоих клапанов в соответствующих направле­ ниях. Если в качестве входных сигналов устройств, предназна­ ченных для компенсации внутренних перекрестных связей между •параметрами объекта, использовать заданные значения регулиру­ емых параметров, то при изменении нагрузки в любом контуре ре­ гулирования перемещался бы клапан только этого контура, что внесло бы возмущение в другой контур. Если же один из регулято­ ров перевести на режим ручного управления, вновь начнет про­

хода. Как только величина х начнет приближаться к заданному значению, т2 будет уменьшаться под действием сигнала внешней дополнительной компенсирующей связи между регуляторами, нару­ шающего взаимосвязь. Очевидно, что такое направление изменения т2 неправильно, поскольку для поддержания постоянства расхода величины т1 и т2 должны изменяться в противоположных напра­ влениях. Сигнал же, вызывающий нарушение взаимосвязи, сформи­ ровал положительную обратную связь в контуре регулирования.

Неполная компенсация влияния внутренних перекрестных связей объекта. Во многих случаях, таких, например, как система сме­ шения компонентов, полная компенсация влияния внутренних

перекрестных связей объекта необязательна. При рассмотрении ди­ намического влияния этих связей указывалось, что медленно реаги­ рующие контуры регулирования при наличии внутренних пере­ крестных связей в объекте практически не вносят возмущения в быстродействующие контуры. Таким образом, та часть системы компенсации перекрестных связей объекта, которая предназначена для дополнительного воздействия на контуры регулирования рас­ хода, давления и уровня, без большого ущерба может быть исклю­ чена.

Компенсация влияния этой связи исключает возможность возникно­

Г В этом случае не обязательно, чтобы выходной сигнал регулятора состава смеси был равен величине х; необходимо только, чтобы он представлял собой линейную функцию от х, т. е.

194

Блок-схема системы регулирования, составленной с учетом зави­ симости ( V I I , 25), приведена на рнс. V I I - 9 .

Во всех рассмотренных ранее примерах под регулирующими величинами подразумевалась степень открытия проходного сечения регулирующего клапана,^то в каждом случае предполагает линей­ ную характеристику клапана и постоянный перепад давления на нем. Но так как практически это трудно реализовать, то клапаны не могут быть хорошими исполнительными механизмами. Тогда имеет смысл добавить контур регулирования расхода около кла­ пана тг, что позволяет избежать переменного перепада давленпя и затруднений, связанных с нелинейными характеристиками кла­ панов, а также позволяет точно поддерживать материальный баланс процесса.

Включение контура регулирования расхода около клапана т х превращает систему смешения в знакомую нам систему регулиро­ вания соотношения с автоматической настройкой соотношения. Подобная схема была приведена на рис. V I - 9 .

В этой главе основное внимание было уделено математическому описанию объектов с несколькими входными и выходными величи­ нами в равновесном состоянии. Поскольку изменение регулируемых параметров в таких объектах происходит при измененип сигналов как в основных, так и в перекрестных каналах, регулирование этих параметров представляет собой довольно сложную задачу. Структура системы автоматического регулирования в данном случае должна определяться свойствамн-регулируемого объекта.

Г Л А В А VIII

РЕГУЛИРОВАНИЕ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПО ВОЗМУЩЕНИЮ

От свойств технологического, объекта зависят значения пара­ метров настройки регулятора — диапазона пропорциональности, времени изодрома, времени предварения. Однако трудно обеспечить качественное регулирование объекта, обладающего высокой чув­ ствительностью к изменению нагрузки или задания. Регулирование таких объектов по замкнутому контуру с обратной связью по откло­ нению параметра не может быть удовлетворительным по следующим причинам.

1. Регулятор в таком контуре вырабатывает регулирующее воздействие в системе с целью восстановления равновесия лишь при наличии некоторого рассогласования между текущим и задан­ ным значениями регулируемого параметра. Следовательно, пол­ ностью устранить отклонение регулируемой величины от заданного