Класифікація періодичних технологічних процесів як об'єктів керування

В загальне поняття технологічний процес як об'єкт керування включається і технологічне обладнання. Тому керування технологічним процесом є керуванням режимами роботи технологічного обладнання.

Технологічне обладнання періодичної дії і періодичні режими в обладнанні неперервної дії як об'єкти керування можуть класифікуватися за ознаками і групами функціонування, що наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1

 

Ознака	Група	Підгрупа
Кількість виконуваних функцій	Однофункціональні Багатофункціональні
Число стадій (операцій)	Двостадійні Тристадійні Чотиристадійні Багатостадійні	-
Характер живлення (подачі вхідних компонентів)	Без підживлення 3 підживленням	Неперервне підживлення, імпульсне підживлення
Характер взаємодії з основ­ним технологічним потоком	Основні Допоміжні	- -
Часові обмеження	Всередині циклу Циклові	Жорсткі, гнучкі
Функція переходу (від опера­ції до операції, стадії)	Регламентована Довільна	-
Тривалість циклу	Стаціонарна Нестаціонарна	—
Об'єм робочого середовища	Постійний Змінний	-

Найбільше поширення отримало однофункціональне технологічне обладнання. Але в багатоасортиментних і дрібномасштабних виробництвах можуть виконуватися декілька функцій, кожній із яких відповідає свій режим роботи. При переході з режиму на режим може змінюватися і число стадій роботи апарату. Прикладом найпростішого двостадійного технологічного обладнання є об'ємний дозатор з операціями наповнення рідиною і опорожненням. Дуже часто використовується чотиристадійне технологічне обладнання, яке має наступні стадії циклу: завантаження, основну стадію, вивантаження і очистку. В апаратах без підживлення всі необхідні компоненти вводяться в апарат підчас його завантаження.

Часові обмеження можуть накладатися як на окремі стадії циклу, так і на весь цикл в цілому. В першому випадку це може бути пов'язане з необхідністю витримання компонентів (продукту) при певних умовах на протязі певного (заданого) часового інтервалу для досягнення, наприклад, необхідних якісних показників, які неможливо визначити безпосередньо (стерилізація консервів, тощо). Часові обмеження на весь цикл в цілому можуть виникати при узгідненні роботи технологічного обладнання з наступним по технологічному процесу обладнанням. Жорсткі циклові обмеження виникають як правило при послідовно-часовому включенні технологічного обладнання, коли є одна загальна (спільна) для групи апаратів система завантаження. При можливості паралельного завантаження декількох технологічних апаратів, які потім об'єднуються в єдиний технологічний потік, часові обмеження можуть бути гнучкими.

Вимоги до функції переходу можуть бути визначені технологічним регламентом або можуть бути довільними. Нестаціонарна (змінна) тривалість циклу може виникати як під дією завад, так і під дією керуючих впливів.

Технологічний періодичний процес може здійснюватися при постійних параметрах робочого середовища (постійний тиск, об'єм, температура, тощо), або ці параметри можуть змінюватися в ході процесу.

При розгляді конкретних технологічних процесів і обладнання будемо класифікувати їх за вищенаведеними ознаками.

Особливості процесів періодичної дії як об'єктів автоматичного керування

Як вказувалося вище, характерною особливістю процесів періодичної дії є їх нестаціонар-ність^ тобто технологічні параметри, як правило, необхідно змінювати за часом.

Наприклад,    розглянемо температурно    -                            часову програму синтезу смоли. Із рис. 2.1 видно, що процес синтезу   смоли                                    суттєво нестаціонарний і складається із дев'яти                         елементарних процесів, які будемо називати операціями або стадіями: (завантаження 1-2, нагрів 2-3,

І, °С

200-

100.

 

 

 

 

 

 

 

к
	1 1 13	4	\5	б/	1 7 1	1 1 1 8І
						|\ IX І \
і у					1 1 |	1 1 1 1	\ 9   10
					1	1	------ ►

Т,

5               10              15              20

Рис. 2.1.

Температурно - часова програма синтезу смоли.

проведення реакції 3-4, охолодження 4-5, завантаження іншого компоненту 5-6, нагрів реакційної суміші 6-7, реакція 7-8, охолодження 8-9, вивантаження 9-10). Сукупність операцій утворює технологічний процес.

Алгоритм функціонування системи автоматичного регулювання (САР) в період однієї операції мало чим відрізняється від САР неперервних процесів. Завданням САР періодичних процесів в межах однієї операції як правило є підтримування регульованої величини за певним алгоритмом.

Специфічність САР періодичних процесів обумовлена необхідністю реалізації автоматичного переведення технологічного процесу від однієї операції до іншої.

Для переведення технологічного процесу від однієї операції до наступної необхідно перш за все змінити завдання автоматичному регулятору. Наприклад, після нагріву і проведення реакції (2-3 і 3-4) для охолодження реакційної суміші (4-5) необхідно змінити завдання автоматичному регулятору температури. В сучасних АСК ТП зміна завдань САР здійснюється автоматично за часовою програмою або за командами від вимірювальних приладів, які визначають закінчення попередньої операції.

В деяких випадках, крім зміни завдання регуляторам, необхідно також з'єднувати автоматичний регулятор з іншими регулюючими органами. Так, в нашому прикладі, при нагріванні реакційної суміші до регулятора температури під'єднується регулюючий орган (РО) на лінії подачі гарячого теплоносія, а потім при охолодженні реакційної суміші - РО на лінії подачі холодного теплоносія. В момент перемикання РО на лінії подачі гарячого теплоносія, повинен бути повністю закритий.

В свою чергу, перемикання РО змінює статичні і динамічні характеристики каналу регулювання і тому при таких перемиканнях як правило необхідно змінювати папаметпи

Д дим.

Сзавд

хА

хА

а)                                                                                б)

Рис. 2.2 Графіки перехідних процесів без початкового установлення регулюючого органу: а) без відключення інтегральної складової регулятора; б) з відключенням складової регулятора; А - діапазон пропорційності регулятора;

Для зменшення динамічної похибки в початковий період стабілізації параметра деякі САР періодичних процесів оснащують спеціальними пристроями, які відключають інтегральну складову при виході регульованого параметра за межі зони дії пропорційної складової регулятора (рис. 2.2 б).

Значне зменшення динамічної похибки в початковий період стабілізації регульованого параметра можна досягнути шляхом початкової установки РО в робоче положення. Це здійснюється так: при зміні завдання автоматичний регулятор відключається від вимірювального приладу і регулюючий вплив вручну встановлюється постійним і близьким до значення регулюючого впливу, яке необхідне для виходу об'єкта керування на новий режим.

При цьому можливі два варіанти:

1). початковий регулюючий вплив буде більший, ніж необхідно для виходу об'єкта

регулювання на новий режим і регульована величина через деякий час перевищить задане

значення (рис. 2.3а);

2). початковий регулюючий вплив буде менший, ніж необхідно для виходу об'кта

регулювання на новий режим і регульована величина не досягне заданого значення

Гоис. 2.36" »

Д дин.

Хзавд_______________ /_ _\

Сзавд

хА

хА

а)                                                                                б)

Рис. 2.2 Графіки перехідних процесів без початкового установлення регулюючого органу: а) без відключення інтегральної складової регулятора; б) з відключенням складової регулятора; А - діапазон пропорційності регулятора;

Для зменшення динамічної похибки в початковий період стабілізації параметра деякі САР періодичних процесів оснащують спеціальними пристроями, які відключають інтегральну складову при виході регульованого параметра за межі зони дії пропорційної складової регулятора (рис. 2.2 б).

Значне зменшення динамічної похибки в початковий період стабілізації регульованого параметра можна досягнути шляхом початкової установки РО в робоче положення. Це здійснюється так: при зміні завдання автоматичний регулятор відключається від вимірювального приладу і регулюючий вплив вручну встановлюється постійним і близьким до значення регулюючого впливу, яке необхідне для виходу об'єкта керування на новий режим.

При цьому можливі два варіанти:

1). початковий регулюючий вплив буде більший, ніж необхідно для виходу об'єкта

регулювання на новий режим і регульована величина через деякий час перевищить задане

значення (рис. 2.3а);

2). початковий регулюючий вплив буде менший, ніж необхідно для виходу об'кта

регулювання на новий режим і регульована величина не досягне заданого значення

Гоис. 2.36"!

1

настроювання автоматичних регуляторів або навіть змінювати закон регулювання і структуру системи керування.

Так, в наведеному прикладі, реакційна суміш нагрівається за законом позиційного регулювання, а для охолодження в змійовик подається вода за ПІ-законом регулювання.

Таким чином, для переведення процесу від однієї операції до наступної, в загальному випадку необхідно:

1) змінити завдання автоматичному регулятору;

2) переключити РО;

3) змінити параметри настроювання автоматичному регулятору;

4) змінити закон автоматичного регулювання;

5) забезпечити кінцеве положення РО при закінченні технологічного процесу;

Якість функціонування САР періодичного технологічного процесу як правило характеризується різними критеріями:

1) в операціях проведення хімічної реакції (3-4, 7-8) якість регулювання буде визначатися відхиленням регульованого параметру від заданого значення;

2) в операціях переходу від одного значення регульованого параметра до іншого (2-3, 4-5. 6-7, 8-9) якість регулювання, як правило, буде визначатися тривалістю цієї операції, тобто критерієм якості буде швидкодія САР).

Стабілізація періодичних процесів в межах допустимої динамічної похибки або інтегрального квадратичного критерію, а також ліквідація статичної похибки регулювання досягається шляхом використання одноконтурних або багатоконтурних САР з ПІ або ПІД регуляторами, так, як і в САР неперервних процесів. Однак регулювання періодичних процесів значно ускладнюється із-за їх нестаціонарності.

Поскільки зміна завдання автоматичному регулятору, яке необхідне для виконання часової програми періодичного процесу, є своєрідними збуреннями і дає дестабілізуючу дію. Наприклад, зміна завдання автоматичному регулятору з інтегральною складовою для переходу, наприклад від 1-2 до 3-4, викличе значні розбіжності між завданням і значенням регульованого параметра. Внаслідок чого інтегральна складова регулятора змінить регулюючий вплив до граничного значення при переході від операції 1-2 і операції 3-4 (повністю закривається РО на лінії подачі холодоагенту). РО залишиться в крайньому положенні доти, доки температура не перевищить задане значення, а це стане причиною великих динамічних похибок (вдс. 2.2а).

Хзавд

Хзавд------------

 

а)                                                                               б)

Рис. 2.3. Графіки перехідних процесів з початковим установленням регулюючого органу: а - початковий регулюючий вплив більший, ніж потрібно для виходу об'єкта на режим; б - початковий регулюючий вплив менший, ніж потрібно для виходу об'єкта на режим; її - момент включення автоматичного регулятора в нормальний режим роботи.

Для виходу об'єкта керування на новий режим автоматичний регулятор вмикається е нормальний режим в точці її. В першому випадку вмикається тоді, коли вимірювана величина стає більшою від заданої X > Х_зад, а в другому - коли перехідний процес близький до завершення, тобто Х_зад - X < є.

В обох випадках відхилення вимірюваної величини від заданої буде значно меншим, ніж при роботі регулятора без відключення з початку перехідного періоду. І відповідно динамічна похибка теж буде значно менша.

Поліпшення якості регулювання методом початкового встановлення РО буде тим краще, чим менша різниця між початковою установкою РО і регулюючим впливом, необхідним для виходу об'єкта на новий режим. Для об'єктів, які мають стабільні характеристики цю різницю можна мінімізувати експериментально. А оскільки періодичні процеси в межах однієї технологічної операції однакових технологічних процесів характеризуються високою стабільністю, то використання такого методу для зменшення динамічної похибки дає хороші результати при автоматизації періодичних процесів. Особливо ефективним даний метод є в тому випадку, коли за умовами роботи попередньої операції РО знаходився в одному із крайніх положень.

Суттєвим обмеженням методу є те, що початкова установка РО в пусковому режимі не в крайнє положення значно збільшує час виходу об'кта керування на новий режим. Тому такий метод покращення якості регулювання може бути використаний тільки для об'єктів з малою

інерційністю або коли час переходу від однієї технологічної операції до наступної не лімітовано.

В той же час пуск, перехід від однієї операції до іншої і зупинка періодичного агрегату, яь правило, необхідно проводити за мінімальний час, оскільки мінімізація перехідних процесії скорочує тривалість технологічної стадії, а отже, і підвищує середню продуктивність процесу.

Це завдання в загальному вигляді може бути сформульовано так: визначити процес переходу об'єкта керування із початкового стану в заданий стан при наявних в системі обмеженнях координат і керуючих впливів за мінімальний час. Для синтезу системи керування оптимальної за швидкодією необхідно визначити сукупність за швидкодією процесів переходу і сімейство оптимальних законів зміни керуючих впливів в часі. Визначення сімейства оптимальних процесів переходу потребує вирішення варіаційних задач на мінімум функціоналу - часу перехідного процесу. При наявності обмежень це завдання в загальному випадку вирішується з допомогою принципу максимуму, сформульованого і доведеного в роботах Л.С.Понтрягіна.

Оптимальний процес переходу для заданого процесу складається із певного числа інтервалів, кожний із яких характеризується певною величиною або швидкістю зміни регулюючого впливу. Оскільки швидкість переходу повинна зростати від нуля, а при виході на задане значення знову перетворитися в нуль, процес переходу повинен містити ділянки прискорення і ділянки сповільнення. Час переходу буде мінімальним, якщо в період прискорення підтримується граничне додатне прискорення, що відповідає граничному додатньому керуючому впливу, а в період сповільнення - граничне від'ємне прискорення, що відповідає граничному від'ємному керуючому впливу.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: