Kaskadowe systemy automatycznego sterowania (ASR). Kaskadowy regulator temperatury PID w chłodnicy zwrotnej reaktora Przykład kaskadowego układu regulacji

Należy pamiętać, że gwarancja producenta obowiązuje wyłącznie w przypadku, gdy montażu i uruchomienia dokonał pracownik wyspecjalizowanej organizacji certyfikowanej przez zakład Protherm. Jednocześnie obecność certyfikatu Protherm nie wyklucza konieczności dodatkowej certyfikacji personelu wyspecjalizowanej organizacji zgodnie z obowiązującymi na terytorium Federacji Rosyjskiej aktami prawnymi i wykonawczymi dotyczącymi zakresu działalności tę organizację.

Wypełnieniem obowiązków gwarancyjnych przewidzianych przez obowiązujące prawo w regionie, w którym zainstalowano sprzęt Protherm, zajmuje się sprzedawca Twojego urządzenia lub organizacja z nim powiązana, upoważniona specjalną umową do wykonywania napraw gwarancyjnych i pogwarancyjnych produktów Protherm . Napraw może dokonać także organizacja będąca autoryzowanym serwisem Protherm.

Firma wykonująca naprawy gwarancyjne lub pogwarancyjne sprzętu Protherm w okresie gwarancyjnym bezpłatnie usunie wszelkie stwierdzone przez siebie usterki powstałe z winy producenta. Szczegółowe warunki gwarancji oraz czas trwania gwarancji ustalane i dokumentowane są w trakcie sprzedaży i uruchomienia urządzenia. Prosimy zwrócić uwagę na konieczność wypełnienia sekcji „Informacje sprzedażowe”, która zawiera numer seryjny urządzenia, znaki handlowe i odpowiadające im plomby, daty sprzedaży oraz podpis sprzedawcy w kartach gwarancyjnych znajdujących się na odwrocie paszportu produktu .

Gwarancja producenta nie obejmuje produktów, których wadliwe działanie spowodowane jest uszkodzeniami w transporcie, naruszeniem zasad transportu i przechowywania, stosowaniem płynów niezamarzających, wszelkiego rodzaju zanieczyszczeniami, w tym solami powodującymi twardość, zamarzaniem wody, niefachowym montażem i/lub uruchomieniem, nieprzestrzegania instrukcji obsługi instalacji i obsługi sprzętu i akcesoriów oraz innych przyczyn niezależnych od producenta, a także instalacji i konserwacji urządzenia.

Ustalony okres użytkowania liczony jest od momentu uruchomienia i wskazany w dokumentacji dołączonej do konkretnego produktu.

Zakład Protherm gwarantuje możliwość zakupu dowolnych części zamiennych do tego produktu przez co najmniej 8 lat po jego zaprzestaniu produkcji.

Na urządzenia i akcesoria Protherm producent ustala okres gwarancji na okres 2 lat od daty uruchomienia, nie dłuższy jednak niż 2,5 roku od daty sprzedaży odbiorcy końcowemu.
Gwarancja na części zamienne wynosi 6 miesięcy od daty sprzedaży detalicznej, pod warunkiem montażu części przez certyfikowanego specjalistę Protherm.

W przypadku częściowego lub całkowitego braku informacji o sprzedaży i/lub uruchomieniu, potwierdzonej dokumentami, okres gwarancji liczony jest od daty produkcji urządzenia. Numer seryjny produktu zawiera informację o dacie produkcji: cyfry 3 i 4 - rok produkcji, cyfry 5 i 6 - tydzień roku produkcji.

Organizacja będąca autoryzowanym serwisem Protherm ma prawo odmówić konsumentowi końcowemu naprawy gwarancyjnej sprzętu zleconego przez stronę trzecią, jeżeli specjalista z autoryzowanego centrum serwisowego odkryje powyższe przyczyny wykluczające gwarancję producenta.

Ryc.1. Budowa kaskadowego regulatora temperatury PID w płaszczu reaktora

Ryc.2. Budowa kaskadowego regulatora temperatury PID w chłodnicy zwrotnej reaktora

1. Regulatory

Ogólne uwagi

– Podsystem sterowania składa się z czterech regulatorów PID, tworzących dwie kaskady regulacyjne (rys. 1., rys. 2.);

– Sterowanie regulatorami głównym i podrzędnym (zmiana trybu pracy i ustawień) jest zawsze dozwolone, niezależnie od tego, czy dławik pracuje, czy nie, zarówno ze schematu mnemonicznego „Stan instalacji”, jak i z okien regulatora;

Redundancja regulatora

– Aby zwiększyć niezawodność, system zapewnia redundantne regulatory. Główny to kontroler programowy, zapasowy to sprzętowy (SIPART DR22).

– Zmiana współczynników sterownika sprzętowego (współczynnika transmisji, stałej czasowej całkowania i stałej czasowej różniczkowania) zgodnie z ustawieniami sterownika programowego odbywa się poprzez kliknięcie przycisku „Zastosuj” w oknie ustawień sterownika programowego;

Struktura sterownika programowego

Strukturę sterownika programowego pokazano na rys. 1, rys. 2.

Sterowanie regulatorem

– Sterowanie wszystkimi czterema regulatorami reaktora odbywa się z okien regulatorów lub ze schematu synoptycznego „Stan instalacji”. Wygląd okien pokazano na rys. 1, ryc. 2.

– Dla każdego z czterech regulatorów reaktora istnieje indywidualne okno, które posiada dwie formy: główna to „okno sterowania regulatorem” oraz pomocnicze to „okno ustawień regulatora”. Przełączanie pomiędzy tymi formularzami odbywa się poprzez naciśnięcie przycisków lub znajdujących się w prawej górnej części okien.

– Po naciśnięciu przycisku „RAMP” (dostępnego tylko w oknie regulatora wiodącego lodówki) otwiera się okno ustawień rampy i sterowania (patrz rys. 2.).

– Sama rampa jest liniową zmianą temperatury odniesienia od wartości „Wartości początkowej” do wartości „Wartości końcowej” podczas „Czasu przejścia”;

– Okno konfiguracji i sterowania rampą służy do monitorowania postępu rampy, a także zapewnia operatorowi możliwość kontrolowania rampy;

– W stanie początkowym, gdy rampa jest nieaktywna, wciśnięty jest przycisk „Stop”, zwolnione są przyciski „Start” i „Pauza”, przycisk „Pauza” jest niedostępny, „Wartość końcowa” i „Czas przejścia” dostępne są pola do wpisu, w polu „Wartość początkowa” wyświetlana jest aktualna wartość temperatury, w polach „Czas, który upłynął” i „Czas pozostały” – zero;

– Gdy rampa jest aktywna, przyciski „Stop” i „Pauza” są zwolnione, wciśnięty jest przycisk „Start”, przycisk „Pauza” jest dostępny, wszystkie pola są niedostępne do wpisania.

W polu „Wartość początkowa” wyświetlana jest wartość temperatury, od której rozpoczęła się płynna zmiana ustawień sterownika po naciśnięciu przycisku „Start” lub uruchomieniu układu rampowego.

Pole Wartość końcowa wyświetla wartość odniesienia sterownika, która zostanie ustawiona po zakończeniu rampy.

Pole „Czas przejścia” wyświetla całkowity czas rampy, pole „Czas, który upłynął” wyświetla czas rampy, który upłynął, a pole „Pozostały czas” wyświetla pozostały czas rampy;

– Po upływie czasu „Czas przejścia” ustawienie sterownika jest równe wartości „Wartość końcowa”, pola wejściowe i przyciski wracają do stanu początkowego;

Wykonywanie rampy przez operatora

– System posiada możliwość wykonania rampy na polecenie operatora z ustawieniami określonymi przez operatora;

– Przed uruchomieniem rampy operator wprowadza wymagane wartości w polach „Wartość końcowa” i „Czas przejścia”;

– Od początku fazy polimeryzacji do momentu rozpoczęcia pierwszej planowanej dodatkowej dawki wody operatorowi w polu „Wartość końcowa” zabrania się wprowadzania wartości większej niż aktualna temperatura w reaktorze.

Jeżeli reaktor pracuje, przed rozpoczęciem fazy polimeryzacji oraz od chwili rozpoczęcia pierwszego zaplanowanego dodatkowego dozowania wody, pola wprowadzania w ustawieniach rampy i oknie kontrolnym nie są dostępne dla operatora, przyciski sterujące rampą nie są dostępne dla operatora do naciśnięcia.

Jeśli reaktor nie pracuje, pola wprowadzania w ustawieniach rampy i oknie sterowania są dostępne do wprowadzenia przez operatora, przyciski sterowania rampą są dostępne do naciśnięcia przez operatora;

– Aby uruchomić rampę, operator naciska przycisk „Start”, podczas gdy wciśnięty jest przycisk „Stop”;

– Podczas narastania w polu wyjściowym „Wartość początkowa” wyświetlana jest wartość temperatury, od której po naciśnięciu przycisku „Start” rozpoczęła się płynna zmiana nastawy sterownika;

– Jeżeli podczas rampy zajdzie potrzeba zmiany jej parametrów (wartość końcowa lub czas przejścia), należy nacisnąć przycisk „Pauza”. W tym przypadku przycisk „Start” pozostaje wciśnięty, przycisk „Stop” pozostaje wciśnięty, a do wprowadzenia dostępne są pola wejściowe „Wartość końcowa” i „Czas przejścia”. Zmiana ustawień sterownika poprzez podprogram RAMP i zliczanie czasu, który upłynął w polu „Czas, który upłynął”, zostanie chwilowo wstrzymane;

– Po wpisaniu nowych parametrów rampy do pól wejściowych operator naciśnie przycisk „Pauza”, wartość w polu wyjściowym „Pozostały czas” zostaje automatycznie przeliczona i następuje proces płynnej zmiany zadania o nowe parametry oraz odliczanie czasu czas rampy w polu „Czas, który upłynął” zostaje wznowiony;

– Nowa wartość w polu „Pozostały czas” jest obliczana w następujący sposób: . Jeżeli rampa przed naciśnięciem przycisku „Pauza” trwała dłużej niż wpisano w polu „Czas przejścia” podczas pauzy, wówczas pozostały czas przyjmuje się za równy zeru, ustawienie sterownika przyjmuje się na wartość w polu „Końcowe pole wartość”;

– W dwóch przypadkach: po naciśnięciu przycisku „Start” i naciśnięciu przycisku „Pauza” zadanie dla regulatora wiodącego w płaszczu zostaje ustawione o jeden stopień mniej niż „Wartość końcowa” rampy;

Działanie regulatorów

– Wszystkie cztery regulatory reaktorów posiadają dwa tryby pracy: ręczny i automatyczny. W trybie ręcznym sprzężenie zwrotne jest otwarte, algorytm PID nie działa, operator i system mają możliwość zmiany działania sterującego na zaworze. W trybie automatycznym sprzężenie zwrotne jest zamknięte, działa algorytm PID, operator i system mają możliwość zmiany temperatury docelowej;

– Cztery regulatory reaktora są połączone w dwa obwody sterowania kaskadowego, z których każdy ma regulator główny i regulator podrzędny. Kaskadę uważa się za zamkniętą, jeśli sterowniki podrzędne i główne znajdują się w trybie automatycznym;

– Sterownik główny nie może znajdować się w trybie sterowania automatycznego, jeśli sterownik podrzędny znajduje się w trybie ręcznym. Jeśli operator lub system przełączy sterownik podrzędny w tryb ręczny, sterownik główny również przełączy się w tryb ręczny i otworzy się kaskada. Jeżeli operator lub system przełączy sterownik podrzędny w tryb automatyczny, tryb nadrzędny nie ulegnie zmianie (pozostanie w trybie ręcznym), kaskada pozostanie otwarta. Sterownik główny można przełączyć w tryb automatyczny tylko wtedy, gdy sterownik podrzędny znajduje się w trybie automatycznym;

– W przypadku załączenia regulatora nadrzędnego w trybie automatycznym zapewnione jest bezwstrząsowe zamknięcie kaskady poprzez ustawienie działania sterującego regulatora nadrzędnego na równe zadaniu regulatora podrzędnego.

Wynalazek dotyczy dziedziny automatycznego sterowania. Wynik techniczny polega na zwiększeniu prędkości i zmniejszeniu przeregulowań przy zmianie parametrów obiektu lub obciążenia, a także uproszczeniu procedury obliczania ustawień parametrów sterownika. Wynik techniczny uzyskano dzięki zastosowaniu w obwodzie wewnętrznym adaptacyjnego sterownika trójpozycyjnego o średnim położeniu zależnym od obciążenia obiektu. Dodatkowo, na podstawie wyniku działania regulatora pętli wewnętrznej, za pomocą urządzenia sterującego do obiektu przyłącza się działanie sterujące regulatora wewnętrznego lub zewnętrznego. Gdy parametr pomocniczy opuści strefę odniesienia, działa wewnętrzna pętla regulacji, a po powrocie do strefy załącza się pętlę zewnętrzną i wyłącza pętlę wewnętrzną. W tym przypadku składowa całkowa sygnału wyjściowego regulatora zewnętrznego jest tworzona przez regulator wewnętrzny i jest równa wartości sygnału średniego położenia regulatora trójpozycyjnego w momencie wyłączenia obwodu wewnętrznego. Bezwstrząsowe przejście do pracy regulatora zewnętrznego i utworzenie silnego działania sterującego przekaźnika w pętli wewnętrznej zapewnia wyższą jakość regulacji głównego parametru. Niezależna od czasu praca obwodów zewnętrznych i wewnętrznych pozwala na wykorzystanie znanych metod inżynierskich do obliczania nastaw regulatorów w układach jednoprzewodowych. 2 chory.

Proponowane urządzenie nawiązuje do dziedziny automatyki i może być stosowane w układach automatyki dla obiektów o parametrach rozproszonych lub posiadających co najmniej dwa parametry regulowane i jedno działanie sterujące. Tradycyjny obwód sterowania kaskadowego ma strukturę pokazaną na ryc. 1. Obiekt kontroli technologicznej (TOU) ma dwa regulowane parametry: główny Y1, ponieważ jest celem regulacji, oraz pomocniczy Y2, który służy do poprawy jakości regulacji głównego parametru. Regulacja głównego parametru Y1 odbywa się za pomocą obwodu zewnętrznego, w skład którego wchodzi wejściowy sygnał sterujący Y1 budynku, zewnętrzny (wyprzedzający, korygujący) regulator R1 oraz bloki funkcjonalne O max i O min, które ograniczają sygnał wyjściowy zewnętrznego regulator od góry do dołu. Parametr pomocniczy Y2 jest regulowany przez obwód wewnętrzny, który zawiera wewnętrzny regulator (podrzędny, stabilizujący) R2. Dla niego sygnał sterujący Y2 jest regulującym wpływem regulatora zewnętrznego, który jest regulatorem nadrzędnym w stosunku do regulatora wewnętrznego (podrzędnego). Ten ostatni, R2, generuje działanie sterujące na obiekcie poprzez siłownik (AD) na wejściu wspólnym zarówno dla parametru głównego, Y1, jak i parametru pomocniczego, Y2. Sygnały o parametrach głównych i pomocniczych obwodów zewnętrznych i wewnętrznych generowane są odpowiednio przez czujniki D1 i D2 i podawane w celu porównania z sygnałami zadaniowymi Budynek Y1 i Budynek Y2 odpowiednio do elementów porównawczych ES1 i ES2. Warunkiem wykonalności (efektywności) takich układów kaskadowych jest mniejsza bezwładność obiektu wzdłuż kanału parametru pomocniczego Y2 w stosunku do głównego Y1. Znana jest metoda kaskadowej regulacji temperatury w reaktorze z korektą wartości zadanej regulatora temperatury na wylocie z wymiennika ciepła (patrz Automatyka w przemyśle chemicznym: Podręcznik dla uniwersytetów. Pod red. E.G. Dudnikowa. - M.: Chemia). , 1987, s. 42 - 43, ryc. 1.22). W tej metodzie obiegiem wewnętrznym jest układ automatycznej kontroli temperatury na wylocie z wymiennika ciepła, a obiegiem zewnętrznym jest temperatura w reaktorze. Efekt regulacyjny - strumień pary podawany jest na wejście wymiennika ciepła. Kanał regulacyjny, w skład którego wchodzą dwa urządzenia (wymiennik ciepła i reaktor) oraz rurociągi, jest złożonym systemem o dużej bezwładności. Na obiekt wpływa szereg zaburzeń docierających do różnych punktów układu - ciśnienie i entalpia pary, temperatura i natężenie przepływu mieszaniny reakcyjnej, straty ciepła w reaktorze itp. p. W przypadku zakłócenia ciśnienia pary regulator obiegu wewnętrznego zmienia stopień otwarcia zaworu regulacyjnego w taki sposób, aby utrzymać zadaną temperaturę na wylocie z wymiennika ciepła. W przypadku zakłócenia przepływu mieszaniny reakcyjnej w reaktorze panuje temperatura i w konsekwencji zostaje ustawiony regulator temperatury wymiennika ciepła, który ponownie zmieni stopień otwarcia zaworu sterującego w kierunku przywrócenia prawidłowej temperatury. temperatura w reaktorze i wymienniku ciepła. W zależności od wymagań dotyczących dokładności regulacji głównego parametru w pętli zewnętrznej stosuje się regulatory astatyczne (I, PI), a w pętli wewnętrznej szybkie regulatory statyczne, zwykle P lub PD. Wadą takich kaskadowych układów sterowania jest zastosowanie regulatorów analogowych i związana z tym komplikacja rozwiązań obwodów - włączenie specjalnych bloków funkcjonalnych, które ograniczają sygnał korekcyjny zewnętrznego (wiodącego) regulatora od góry i od dołu. Z tego powodu rozpatrywane układy sterowania kaskadowego przy zmianie parametrów sterowanego obiektu lub obciążenia charakteryzują się stosunkowo niską wydajnością i dużym przeregulowaniem dynamiki, tj. niewystarczająca jakość regulacji. Wadą takich układów kaskadowych jest złożoność obliczania parametrów strojenia regulatorów, spowodowana koniecznością stosowania procedur iteracyjnych dla każdego obwodu z osobna (strojąc jeden ze sterowników, drugi zawiera jeszcze nieokreślone optymalne parametry). Celem wynalazku jest zwiększenie wydajności i ograniczenie przeregulowania przy zmianie parametrów obiektów lub obciążeń, a także uproszczenie procedury obliczania nastaw parametrów sterownika. Zadanie realizowane jest poprzez ustawienie sygnałów do ustawienia górnych Y2" i dolnych Y2" dopuszczalnych wartości parametru pomocniczego dla sterownika pętli wewnętrznej i wyznaczenie w zadanym przedziale błędu niedopasowania E1 dla astatycznego sterownika pętli zewnętrznej, działając przez siłownik na obiekt w tym odstępie czasu za pomocą sygnału analogowego określonego przez regulację tego zewnętrznego regulatora, gdy parametr pomocniczy opuszcza strefę ustawień Y2”.< Y2 < Y2"" с выхода регулятора внутреннего контура на исполнительное устройство подают управляющее воздействие релейного типа, со знаком, уменьшающим отклонение вспомогательного параметра от заданных крайних значений интервала, а основного параметра - от заданного значения. Одновременно отключают от объекта управляющее воздействие внешнего астатического регулятора, формируя и сохраняя при этом его интегральную составляющую равную значению сигнала средней позиции трехпозиционного адаптивного регулятора, используемого в качестве регулятора внутреннего контура (см. авт. св. N 675399. Пневматический регулятор. Магергут В.З., Гимпельсон В.Г., Стальнов П.И. Бюл. 27 от 28.07.79). При возврате вспомогательного параметра в заданную зону одновременно отключают управляющее воздействие внутреннего регулятора и включают управляющее воздействие внешнего регулятора. Таким образом, при каждом выходе вспомогательного параметра из заданной зоны, управляющее воздействие на объект формируется лишь во внутреннем контуре, а при возврате его в заданную зону управляющее воздействие на объект формирует регулятор внешнего контура, обеспечивая стабилизацию основного параметра с заданной точностью. Иначе, в каждый момент времени объектом управляет лишь один из регуляторов: внутренний, если вспомогательный параметр Y2 вышел из зоны нечувствительности внутреннего регулятора, или внешний, когда Y2 находится в зоне. Управление работой регуляторов ведется по вспомогательному параметру Y2 (точнее по сигналу рассогласования E2 между Y2 и сигналами задания Y2" и Y2""), который в этом плане становится ведущим параметром объекта, т.е. параметром, который определяет логику работы управляющего устройства регуляторов, формирующего соответствующие управляющие воздействия на регуляторы, по сигналу рассогласования E2. Обеспечивая единовременную работу либо внешнего либо внутреннего регулятора, т.е. автономность работы внешнего и внутреннего контуров системы каскадного регулирования, благодаря их логическому переключению посредством управляющего устройства, отпадает необходимость в проведении сложной итерационной процедуры расчета настроек регуляторов, и появляется возможность использовать известные методы расчета одноконтурных систем аналогового и позиционного действия (см., например, Магергут В.З., Вент Д.П., Кацер И.А. Инженерные методы выбора и расчета оптимальных настроек промышленных регуляторов. Новомосковск, НФ РХТУ, 1994. 158 с.). Применение во внутреннем контуре адаптивного трехпозиционного способа регулирования с подстраиваемой к нагрузке объекта средней позицией (см. авт. св. N 458812. Способ автоматического трехпозиционного регулирования. Магергут В.З., Гимпельсон В.Г., Стальнов П.И., Беляев Ю.В. Бюл. 4 от 30.01.75) позволяет, с одной стороны, формировать мощное релейное управляющее воздействие, приводящее к увеличению быстродействия системы регулирования и уменьшению перерегулирования основного параметра, а, с другой стороны, обеспечить в это же время нахождение управляющего воздействия примерно соответствующего значению нагрузки и осуществлять благодаря слежению за этим значением интегральной составляющей внешнего контура, безударное переключение управляющего воздействия внешнего регулятора на это значение при его подключении к объекту. Регулятор внутреннего контура дает задание регулятору внешнего контура, причем не по заданию, а по выходному сигналу его интегральной составляющей, обеспечивая тем самым безударность включения внешнего регулятора в момент вхождения вспомогательного параметра объекта Y2 в зону нечувствительности внутреннего регулятора и точную настройку управляющего воздействия на значение нагрузки объекта. Иначе, в предлагаемом способе уже внутренний регулятор становится как бы ведущим по отношению к внешнему регулятору, ставшему ведомым. Таким образом, предложен способ каскадного автоматического регулирования путем измерения вспомогательного параметра объекта и стабилизации его с помощью одноконтурной системы регулирования, измерения основного параметра объекта и стабилизации его с помощью астатической одноконтурной системы регулирования и формирования сигнала задания регулятору внутреннего контура, отличающийся тем, что устанавливают сигналы задания верхнего и нижнего допустимых значений вспомогательного параметра объекта для регулятора внутреннего контура и определяют на заданном интервале ошибку рассогласования для астатического регулятора внешнего контура, воздействующего посредством исполнительного устройства на объект в заданном интервале с помощью аналогового сигнала, определяемого законом регулирования астатического регулятора внешнего контура, при выходе вспомогательного параметра объекта из заданного интервала с выхода регулятора внутреннего контура на исполнительное устройство подают управляющее воздействие релейного типа со знаком, уменьшающим отклонение вспомогательного параметра объекта от верхнего и нижнего допустимых значений, а основного параметра объекта - от заданного значения и одновременно отключают управляющее воздействие астатического регулятора внешнего контура, формируют и сохраняют интегральную составляющую этого регулятора на уровне значения средней позиции выходного сигнала регулятора внутреннего контура; при возврате вспомогательного параметра объекта в заданный интервал одновременно отключают управляющее воздействие регулятора внутреннего контура и включают управляющее воздействие астатического регулятора внешнего контура. Предлагаемый способ иллюстрируется функциональной схемой, приведенной на фиг. 2. Схема содержит технологический объект управления 1, регулятор внешнего контура регулирования 2 и задатчик 3, блок сравнения 4, регулятор внутреннего контура 5, задатчики верхнего и нижнего уровня 6 и 7 соответственно, блок сравнения 8, устройство управления 9, исполнительное устройство 11, 12 основного и вспомогательного параметров соответственно. Способ каскадного автоматического регулирования осуществляется следующим образом. Непрерывно измеряют с помощью датчика 11 параметр Y1 и стабилизируют его с помощью автоматического регулятора 2 по астатическому закону с воздействием на исполнительное устройство 10. Датчиком 12 непрерывно измеряют вспомогательный параметр Y2 и с помощью задатчиков 6 и 7 формируют величину задания верхнего и нижнего уровня этого параметра. С помощью трехпозиционного адаптивного регулятора 5 автоматически поддерживают значение этого параметра в заданном интервале, воздействуя на исполнительное устройство 10. Устройство управления 9 непрерывно измеряют ошибку рассогласования E2 внутреннего контура регулирования и в зависимости от величины и знака этой ошибки включает регулирующее воздействие, поступающее либо с внутреннего, либо с внешнего регулятора. При выходе вспомогательного параметра из зоны задания с выхода регулятора внутреннего контура 5 на исполнительное устройство подают управляющее воздействие релейного типа, со знаком, уменьшающим отклонение вспомогательного параметра от заданных крайних значений интервала, а основного параметра - от заданного значения. Одновременно устройство управления 9 отключает управляющее воздействие внешнего астатического регулятора 2, формируя и сохраняя его интегральную составляющую на уровне значения средней позиции выходного сигнала трехпозиционного адаптивного регулятора 5. Поскольку в предлагаемом способе каскадного автоматического регулирования регуляторы внешнего и внутреннего контуров работают равномерно, то на период отключения регулятора 2 внешнего контура от исполнительного устройства 10 канал связи между выходами регулятора 5 и 2 используют для подачи сигнала средней позиции адаптивного регулятора 5 в регулятор 2 для формирования в нем интегральной составляющей, равной сигналу средней позиции регулятора 5. Таким образом, по каналу, помеченному разнонаправленными стрелками, сигнал проходит то с выхода регулятора 2 к исполнительному устройству 10, то от регулятора 5 (со звена формирования средней позиции) к регулятору 2 (в интегральную составляющую регулятора). Рассмотрим применение данного способа для различных известных систем каскадного регулирования. Так для способа-аналога - каскадное регулирование температуры в реакторе - он сводится к следующему: основным параметром объекта регулирования является температура Т р в реакторе, а вспомогательным температура Т т на выходе теплообменника. Для последней устанавливают два значения ее задания - больше номинального Т т "" и меньше Т т ". Для реактора устанавливают заданное значение температуры Т рзд и поддерживают ее обычным ПИ-регулятором по одноконтурной системе регулирования. При отклонении температуры реактор Т р от задания одновременно отклоняется от номинала и температура Т т на выходе из теплообменника, причем, выбег последней за пределы зоны, т.е. за значения Т т "" или Т т " происходит быстрее, чем произойдет отклонение Т р от Т рзд на величину требуемой точности регулирования (из-за меньшей инерционности объекта по каналу: температура на выходе теплообменника Т т -управляющее воздействие Gn по пару и соответствующего выбора значений Т т "" и Т т ". Происходит срабатывание адаптивного позиционного регулятора и формирование им релейного управляющего воздействия на объект по Gn (верхнего Gn"" или нижнего Gn", направленного на возврат Т т в зону, к Т рзд. Одновременно позиционным воздействием на объект происходит формирование нового значения средней позиции этого регулятора Gn ср, соответствующего новому значению нагрузки объекта или эквивалентному ей изменению его параметров. Это новое значение отслеживается в интегральной части ПИ-регулятора, который при управлении объектом посредством внутреннего адаптивного позиционного регулятора отключен от управления объектом. При вхождении Т т в зону за счет мощного и быстрого позиционного управляющего воздействия (затем, что оно будет мощнее и быстрее воздействия даже ПД-регулятора, используемого в способе прототипа) происходит переключение на новое значение Gn ср как в регуляторе внутреннего контура, так и в подключаемом к управлению объектом вместо него ПИ-регуляторе, т.е. управление объектом начинается с нового значения управляющего воздействия, равновесного (или близкого) к новому значению нагрузки. Последнее, наряду с быстрым возвратом Т т в зону, а Т р к Т рзд, также обеспечивает повышение качества регулирования по предлагаемому способу. Рассмотрим второй пример применения способа для автоматического регулирования работы дефлегматора в процессе перегонки по авт. св. N 971395. Магергут В.З., Бебелис В.Я., Масленников И.М., Бюл. 41 от 07.11.82. Объектом является дефлегматор, в котором необходимо поддерживать температуру Т д на его выходе (основной параметр). Для повышения точности предложен традиционный способ каскадного регулирования, в котором в качестве вспомогательного параметра используется Р д внизу дефлегматора, т.е. на его входе. Управляющим воздействием является расход хладоагента Gx в дефлегматор. Для увеличения эффективности работы этой системы также можно использовать предлагаемый нами способ. Для внутреннего контура на базе адаптивного позиционного регулирования потребуется задать два значения давления на входе в дефлегматор: Р д "" и Р д " - соответственно больше и меньше номинального. Работать способ будет аналогично рассмотренному для объекта первого примера. Улучшение качества регулирования будет достигнуто как за счет большого быстродействия и более мощного воздействия внутреннего контура, так и нахождения одновременно с этим воздействием нового равновесного значения управляющего воздействия, соответствующего новому значению адаптивной средней позиции внутреннего регулятора. За счет автономности работы каждого из контуров регулирования (внешнего и внутреннего) настройка регуляторов как в первом, так и во втором примерах, естественно будет проще, чем для прототипа. Аналогичным образом быть видоизменены и все другие применяющиеся в промышленности системы автоматического каскадного регулирования, имеющие два регулируемых параметра (основного и вспомогательного) при одном управляющем воздействии при дополнительном условии, чтобы управляющее воздействие не являлось одновременно и вспомогательным параметром. В настоящее время авторы занимаются внедрением предлагаемого способа на ряде предприятий Тульской и Рязанской областей: АО "ОРГСИНТЕЗ" и НАК "АЗОТ", АООТ "Ключанский спиртзавод", причем, как путем замены существующих способов автоматического каскадного регулирования, так и самостоятельного внедрения предлагаемого способа для ряда объектов, со всеми вытекающими экономическими эффектами.

Zagadnienia poruszane na wykładzie:

1. Co to jest obiekt równoważny w kaskadowym ACS.

2. Wyjaśnienie efektywności kaskadowych układów automatyki.

3. Metody obliczania kaskadowych ASR.

4. Obliczanie ASR z dodatkowym impulsem na podstawie pochodnej.

Układy sterowania kaskadowego to takie układy, w których sygnał wyjściowy jednego ze sterowników jest przesyłany jako zadanie do drugiego. Parametry główne i pomocnicze obiektu podawane są odpowiednio w postaci sygnałów wejściowych do tych sterowników. W tym przypadku tylko główny regulator ma niezależne ustawienie. Sygnał wyjściowy sterownika pomocniczego dostarczany jest w celu regulacji oddziaływania na obiekt. Zwykle pomocnicza zamknięta pętla sterowania, utworzona przez szybkoobrotową część obiektu i pomocniczy regulator, znajduje się wewnątrz głównej pętli sterowania. Rysunek 1.8.1 przedstawia schemat systemu sterowania kaskadowego. Kaskadowe systemy sterowania zapewniają:

1) szybka kompensacja zakłóceń występujących w pętli sterowania pomocniczego, dzięki czemu zakłócenia te nie powodują odchylenia parametru głównego od wartości zadanej;

1 – regulator główny; 2 – regulator pomocniczy; 3, 4 – szybko i wolno działające części obiektu

Rysunek 1 - Schemat sterowania kaskadowego

2) znaczne zmniejszenie przesunięcia fazowego w części szybkoobrotowej obiektu w wyniku utworzenia pomocniczej pętli sterującej, co zwiększa wydajność pętli głównej;

3) kompensacja zmian współczynnika transmisji części szybkobieżnej obiektu poprzez zmianę współczynnika transmisji pomocniczej pętli sterowania;

4) wymagany dopływ materii lub energii do obiektu

Dlatego też wskazane jest stosowanie układów regulacji kaskadowej w przypadkach, gdy konieczne jest utrzymanie kontrolowanego parametru na zadanej wartości z dużą dokładnością, a także gdy obiekt charakteryzuje się bardzo dużym opóźnieniem. Pomocniczą pętlę sterowania można na przykład zamknąć wokół elementu całkującego obiektu, aby przezwyciężyć własne opóźnienie. Przepływ można wykorzystać jako zmienną pomocniczą, ponieważ ze względu na prędkość pętli regulacyjnej tego parametru zapobiega się znaczącym odchyleniom głównej zmiennej regulowanej.

Aby stworzyć kaskadowy system sterowania, należy najpierw zidentyfikować akceptowalną zmienną pośrednią, co w niektórych przypadkach jest dość trudne.

Kaskadowe systemy kontroli przepływu służą do ciągłego dostarczania substancji do obiektu lub z obiektu. Zazwyczaj kontrola przepływu odbywa się poprzez zmianę ciśnienia powietrza dostarczanego do zaworu o charakterystyce nieliniowej. Jeżeli w tym przypadku pomiar aktualnej wartości parametru odbywa się metodą zmiennej różnicy ciśnień (w której sygnał wyjściowy czujnika jest nieliniowo zależny od natężenia przepływu), to obie nieliniowości wzajemnie się kompensują.

Stosowanie metody zmiennej różnicy ciśnień w obwodzie pomocniczym do sterowania procesami wymiany ciepła lub mieszania może prowadzić do dodatkowych trudności. Załóżmy, że kontrolowany parametr obiektu jest liniowy względem natężenia przepływu. Sygnał wyjściowy głównego regulatora jest proporcjonalny do spadku ciśnienia, który zmienia się bezpośrednio z kwadratem natężenia przepływu. W rezultacie wzmocnienie pętli będzie się zmieniać odwrotnie proporcjonalnie do natężenia przepływu. Jednakże wiele procesów należy uregulować już na etapie rozruchu; Ponadto często konieczne jest utrzymanie niskich przepływów w obiekcie przez długi czas, co jest dość trudne. Jeśli główny regulator nie zostanie przełączony na sterowanie ręczne, wówczas w pętli regulacyjnej wystąpią nietłumione oscylacje w pobliżu zerowego natężenia przepływu. Aby temu zapobiec, zaleca się zamontowanie w torze pomiaru przepływu urządzenia do wyciągania pierwiastków kwadratowych w celu linearyzacji obwodu pomocniczego.

Okres oscylacji pętli regulacji przepływu wynosi zwykle kilka sekund. Dlatego natężenie przepływu nie jest wykorzystywane jako główny parametr w schematach kaskadowych przy regulacji procesów wymiany ciepła lub mieszania.

Przy regulacji poziomu wrzących cieczy lub skraplających się oparów stosuje się układy regulacji kaskadowej z korekcją przepływu. W takich układach okres drgań własnych obwodu głównego jest większy niż okres drgań obwodu regulacji przepływu.

Kaskadowe systemy kontroli temperatury są dość szeroko stosowane. Podczas przeprowadzania reakcji chemicznych, w celu uzyskania wysokiej jakości kontroli, sygnał wyjściowy regulatora temperatury reaktora jest zwykle przesyłany do komory nastawczej regulatora temperatury płynu chłodzącego, czyli kaskadowego obwodu sterującego temperaturą płynu chłodzącego na podstawie temperatury reaktora Jest używane. Intensywność wymiany ciepła zależy od różnicy temperatur pomiędzy reagującymi substancjami a chłodziwem, dlatego na przebieg procesu wpływa aktualna wartość temperatury chłodziwa.

Na pracę układu sterowania mają wpływ nieliniowości i przesunięcia fazowe pomocniczej pętli sterowania. Ponieważ w takim układzie zakres proporcjonalności pomocniczego regulatora temperatury zwykle nie przekracza 25%, można pominąć wpływ składowej astatycznej tego regulatora.

Niewielkie przekroczenie temperatury czynnika chłodniczego nie ma dużego wpływu na pracę układu, ponieważ element astatyczny zawsze działa w obwodzie głównym. Obecność elementu astatycznego w obwodzie pomocniczym tylko nieznacznie zmniejszyłaby szybkość zmian temperatury. Podczas regulacji temperatury chłodziwa w reaktorze wsadowym nie stosuje się składnika astatycznego. Zazwyczaj przy projektowaniu układów regulacji kaskadowej głównym zadaniem jest określenie stosunku okresów oscylacji własnych głównej i pomocniczej pętli regulacji temperatury. Jeżeli w obu obwodach zostanie zastosowana ta sama metoda pomiaru, wówczas zależność między okresami naturalnymi obwodów jest liniowa, a zatem współczynnik transmisji obwodu głównego będzie stały.

Obliczenie kaskadowego ASR polega na ustaleniu ustawień regulatorów głównego i pomocniczego dla zadanych charakterystyk dynamicznych obiektu wzdłuż kanałów głównego i pomocniczego. Ponieważ nastawy regulatora głównego i pomocniczego są od siebie zależne, oblicza się je metodą iteracyjną.

Na każdym etapie iteracji obliczany jest zredukowany ASR z pojedynczą pętlą, w którym jeden ze sterowników warunkowo odwołuje się do obiektu równoważnego.

Celem równoważnym dla regulatora głównego jest połączenie szeregowe zamkniętej pętli pomocniczej i głównego kanału sterującego.

W E (p) = [- R 1 (p) / 1 – W(p)*R 1 (p) ]* W(p), (1)

gdzie R 1 (p) jest funkcją przenoszenia sterownika pomocniczego,

W(p) = W 1 (p) * W 2 (p) – funkcja przenoszenia obiektu

Równoważnym obiektem dla sterownika pomocniczego jest równoległe połączenie kanału pomocniczego i głównego systemu otwartej pętli.

W mi 1 (p) = W 1 (p) – W(p)*R (p), (2)

gdzie R (p) jest funkcją przenoszenia głównego sterownika

W zależności od pierwszego kroku iteracji wyróżnia się dwie metody obliczania kaskadowych ACP.

Pierwsza metoda. Obliczenia rozpoczynają się od głównego regulatora. Metodę tę stosuje się w przypadkach, gdy bezwładność kanału pomocniczego jest znacznie mniejsza niż głównego. W pierwszym kroku zakłada się, że częstotliwość pracy obwodu głównego jest znacznie niższa niż obwodu pomocniczego. I wtedy:

W mi (p) = W 2 (p). (3)

W drugim kroku obliczane są ustawienia sterownika pomocniczego dla obiektu równorzędnego.

W przypadku obliczeń przybliżonych pierwsze dwa kroki są ograniczone. W przypadku obliczeń precyzyjnych są one kontynuowane aż do momentu, gdy znalezione w dwóch kolejnych iteracjach ustawienia sterownika będą pokrywały się z zadaną dokładnością.

2. metoda. Obliczenia rozpoczynają się od regulatora pomocniczego. W pierwszym kroku zakładamy, że regulator zewnętrzny jest wyłączony. Zatem w pierwszym przybliżeniu ustawienia regulatora pomocniczego znajdują się przy użyciu jednoobwodowego ACP dla pomocniczego kanału sterującego z wyrażenia:

W mi 1 (p) = W 1 (p). (4)

W drugim kroku obliczane są ustawienia sterownika głównego z wykorzystaniem funkcji transferu obiektu równoważnego. Aby wyjaśnić ustawienia sterownika pomocniczego, obliczenia przeprowadza się za pomocą funkcji transferu. Obliczenia prowadzi się tak długo, aż ustawienia regulatora pomocniczego stwierdzone w dwóch kolejnych iteracjach będą pokrywały się z zadaną dokładnością.

ASR z dodatkowym impulsem bazującym na pochodnej z punktu pośredniego .

Układy takie stosowane są najczęściej w automatyce obiektów, w których kontrolowany parametr technologiczny (np. temperatura czy skład) jest rozłożony wzdłuż współrzędnej przestrzennej (jak w urządzeniach kolumnowych lub rurowych). Osobliwością takich obiektów jest to, że główną kontrolowaną współrzędną jest parametr technologiczny na wylocie aparatu, zakłócenia rozkładają się na całej długości aparatu, a efekt regulacyjny jest stosowany na jego wejściu. Jednocześnie jednoobwodowe systemy automatycznego sterowania w zamkniętej pętli nie zapewniają wymaganej jakości procesów przejściowych ze względu na dużą bezwładność kanału sterującego.

Podanie dodatkowego impulsu na wejście sterownika z punktu pośredniego urządzenia daje sygnał wyprzedzający, a sterownik rozpoczyna pracę zanim współrzędna wyjściowa odbiega od wartości zadanej.

Aby zapewnić regulację bez błędu statycznego, konieczne jest zanikanie dodatkowego impulsu w stanach ustalonych. W tym celu przez rzeczywiste łącze różniczkujące przepuszcza się współrzędną pomocniczą, tak aby sygnał wejściowy sterownika był równy e=y+y’ 1 –y 0 (rysunek 1.9.1a). W stanach ustalonych, gdy y’ 1 =0, gdy e=0, y=y 0.

a – schemat oryginalny; b – przerobiony na kaskadowy obwód ASR

Rysunek 2 - Schematy blokowe ASR z dodatkowym impulsem na podstawie pochodnej z punktu pośredniego

Skuteczność wprowadzenia dodatkowego impulsu zależy od punktu jego wybrania. O wyborze tego ostatniego decydują w każdym konkretnym przypadku właściwości dynamiczne obiektu i warunki jego pracy. Zatem pomiar y 1 na początku urządzenia jest równoznaczny z dodatkowym impulsem wynikającym z zakłócenia docierającego kanałem sterującym. Urządzenie różnicujące pełni w tym przypadku rolę kompensatora zakłóceń dynamicznych. Pomiar y 1 na wyjściu obiektu (y 1 = y) jest równoznaczny z wprowadzeniem pochodnej współrzędnej głównej. Dla każdego obiektu można wybrać optymalne miejsce doboru dodatkowego impulsu, przy którym jakość regulacji jest najlepsza.

Obliczanie takich układów sterowania przebiega podobnie do obliczania kaskadowych ASR po odpowiednich przekształceniach. W kaskadzie ASR pokazanej na rysunku 2b rolę regulatora zewnętrznego pełni ogniwo z funkcją przenoszenia R d -1 (p), a wewnętrznego regulator i układ różniczkujący połączone szeregowo, tak że funkcje przenoszenia dla danych regulatorów są odpowiednio równe.

Układy kaskadowe służą do automatyzacji obiektów, które mają dużą bezwładność w kanale sterowania, jeśli istnieje możliwość wybrania współrzędnej pośredniej, która jest mniej bezwładna w stosunku do najbardziej niebezpiecznych zakłóceń i zastosowanie dla niej takiego samego działania regulacyjnego jak dla wyjścia głównego obiektu.

W tym przypadku układ sterowania (ryc. 19) obejmuje dwa regulatory - regulator główny (zewnętrzny). R, służące do stabilizacji głównego wyjścia obiektu y, i regulator pomocniczy (wewnętrzny). R 1, przeznaczony do regulacji współrzędnej pomocniczej Na 1 . Celem sterownika pomocniczego jest sygnał wyjściowy sterownika głównego.

Wybór przepisów regulacyjnych zależy od celu organów regulacyjnych:

Aby utrzymać główną współrzędną wyjściową na zadanej wartości bez błędu statycznego, prawo sterowania głównego sterownika musi zawierać składnik całkujący;

Od regulatora pomocniczego wymagana jest szybka reakcja, dlatego może on mieć dowolne prawo sterowania.

Porównanie jednoobwodowych i kaskadowych ASR pokazuje, że ze względu na większą prędkość pętli wewnętrznej w kaskadowym ASR wzrasta jakość procesu przejściowego, zwłaszcza przy kompensacji zakłóceń dochodzących przez kanał regulacyjny. Jeżeli zgodnie z warunkami procesu nałożone zostanie ograniczenie na zmienną pomocniczą (np. temperatura nie powinna przekraczać maksymalnej dopuszczalnej wartości lub współczynnik przepływu powinien mieścić się w określonych granicach), wówczas ograniczenie zostanie nałożone również na sygnał wyjściowy sterownika głównego, co jest zadaniem sterownika pomocniczego. Aby to zrobić, między regulatorami instaluje się urządzenie o charakterystyce sekcji wzmacniacza z nasyceniem.

Ryż. 19. Schemat blokowy kaskadowego układu automatyki:

W, W 1 – kanały główne i pomocnicze Na 1 kontrolowane ilości przedmiotu; R, R 1 – regulatory główne i pomocnicze; х Р, х Р1 – regulujące wpływy regulatorów R I R 1 ; ε, ε 1 – wielkość rozbieżności pomiędzy wartością bieżącą i zadaną wielkości kontrolowanych Na I Na 1 ; Na 0 – zadanie dla głównego kontrolera R

Przykłady kaskadowych systemów automatycznego sterowania obiektami techniki cieplnej. Na ryc. Na rys. 20 przedstawiono przykład kaskadowego układu stabilizacji temperatury cieczy na wylocie z wymiennika ciepła, w którym obiegiem pomocniczym jest strumień pary grzewczej ASR. W przypadku zakłócenia ciśnienia pary regulator 1 zmienia stopień otwarcia zaworu regulacyjnego w taki sposób, aby utrzymać zadaną wielkość przepływu. Jeżeli równowaga cieplna w aparacie zostanie zakłócona (spowodowana np. zmianą temperatury wejściowej lub natężenia przepływu cieczy, entalpią pary, utratą ciepła do otoczenia), co doprowadzi do odchylenia temperatury wyjściowej od wartości zadanej, regulator temperatury 2 dostosowuje ustawienie do regulatora przepływu pary 1.

W termicznych procesach technologicznych często współrzędne główne i pomocnicze mają ten sam charakter fizyczny i charakteryzują wartości tego samego parametru technologicznego w różnych punktach układu (rys. 21).

Ryc.20. Kaskadowy układ regulacji temperatury (poz. 2) z korektą zadania do regulatora przepływu pary (poz. 1)

Ryż. 21. Schemat blokowy kaskadowego ASR z pomiarem współrzędnej pomocniczej w punkcie pośrednim

Na ryc. Na rys. 22 przedstawiono fragment schematu przebiegu procesu obejmujący podgrzewacz mieszaniny reakcyjnej 2 i reaktor 1 oraz układ stabilizacji temperatury w reaktorze.

Sterowanie przepływem pary jest dostarczane na wejście wymiennika ciepła. Kanał sterujący, w skład którego wchodzą dwa urządzenia i rurociągi, jest złożonym systemem dynamicznym o dużej bezwładności. Na obiekt wpływa szereg zaburzeń docierających do różnych punktów układu: ciśnienie i entalpia pary, temperatura i natężenie przepływu mieszaniny reakcyjnej, straty ciepła w reaktorze itp. Aby zwiększyć prędkość układu sterowania, należy zastosować kaskadowy ACS stosuje się, w którym główną zmienną sterowaną jest temperatura w reaktorze, a jako pomocniczą wybrano temperaturę mieszaniny pomiędzy wymiennikiem ciepła a reaktorem.

Ryż. 22. Kaskadowy układ regulacji temperatury (poz. 4) w reaktorze (poz. 1) z korektą nastawy regulatora temperatury (poz. 3) na wylocie z wymiennika ciepła (poz. 2)

Obliczanie kaskady ASR. Obliczenie kaskadowego ASR polega na ustaleniu ustawień regulatorów głównego i pomocniczego dla zadanych charakterystyk dynamicznych obiektu wzdłuż kanałów głównego i pomocniczego. Ponieważ nastawy regulatora głównego i pomocniczego są od siebie zależne, oblicza się je metodą iteracyjną.

Na każdym etapie iteracji obliczany jest zredukowany ASR z pojedynczą pętlą, w którym jeden ze sterowników warunkowo odwołuje się do obiektu równoważnego. Jak widać ze schematów blokowych na rys. 23, obiektem równoważnym dla głównego regulatora (ryc. 23, a) jest połączenie szeregowe zamkniętego obwodu pomocniczego i głównego kanału sterującego; jego funkcja przenoszenia jest równa

(93)

Ryż. 23. Schematy blokowe zastępczego jednoobwodowego układu sterowania z regulatorem głównym (a) i pomocniczym (b): u góry - schemat zastępczy jednoobwodowy; poniżej – konwersja kaskady ACP na jednotorową

Obiektem równoważnym dla sterownika pomocniczego 2 (rys. 23) jest równoległe połączenie kanału pomocniczego i głównego układu otwartego. Jego funkcja przenoszenia ma postać:

(p)=W 1 (p) – W(p)R(p).(94)

Obliczenia rozpoczynają się od głównego regulatora. Metodę tę stosuje się w przypadkach, gdy bezwładność kanału pomocniczego jest znacznie mniejsza niż głównego. W pierwszym kroku zakłada się, że częstotliwość robocza obwodu głównego ( ω p) znacznie mniej niż pomocnicze ( ω p1) i o godz ω=ω р

. (95)

. (96)

Zatem w pierwszym przybliżeniu ustawienia S 0 główny regulator 1 nie zależy od R1(p) i znajdują się przy W e °(p).

W drugim kroku obliczane są nastawy regulatora pomocniczego dla obiektu równoważnego (1) z funkcją transmitancji W 1 e (p), w które zastępują R(p, S°).

Połączone AKP

Połączone systemy automatyki stosowane są przy automatyzacji obiektów podlegających istotnym kontrolowanym zakłóceniom. Układy nazywane są kombinowanymi, ponieważ w ich konstrukcji stosowane są dwie zasady regulacji: „przez odchylenie” (prawo Polzunowa) i „przez zakłócenie” (prawo Ponceleta). Układy zbudowane według zasady Polzunowa mają ujemne sprzężenie zwrotne i działają w obiegu zamkniętym. Systemy zakłócające (Poncelet) nie mają sprzężenia zwrotnego i działają w otwartej pętli.

Istnieją dwa sposoby budowania połączonych systemów automatycznego sterowania za pomocą schematów blokowych pokazanych na ryc. 24 i 25. Jak widać z tych schematów blokowych, oba systemy mają wspólne cechy: obecność dwóch kanałów wpływu na współrzędną wyjściową obiektu oraz zastosowanie dwóch pętli sterujących - zamkniętych (poprzez regulator 1 ) i otwórz (przez kompensator 2 ). Jedyną różnicą jest to, że w drugim przypadku impuls korekcyjny z kompensatora podawany jest nie na wejście obiektu, ale na wejście regulatora.

Ryż. 24. Schematy blokowe kombinowanego ASR przy podłączeniu wyjścia kompensatora do wejścia obiektu: a – schemat oryginalny; b – diagram przekształcony; 1 – regulator; 2 – kompensator

Ryż. 25. Schematy blokowe kombinowanego ASR przy podłączeniu wyjścia kompensatora do wejścia regulatora: a – obwód oryginalny; b – diagram przekształcony; 1 – regulator; 2 – kompensator

Wprowadzenie impulsu korekcyjnego dla najsilniejszego zakłócenia może znacznie zmniejszyć błąd regulacji dynamicznej, pod warunkiem, że prawidłowo dobrane i obliczone zostanie urządzenie dynamiczne stanowiące prawo zmiany tego wpływu.

Podstawą obliczania takich systemów jest zasada niezmienności: odchylenie wyjściowej współrzędnej układu od zadanej wartości musi być jednakowo równe zeru pod wpływem jakichkolwiek wpływów napędzających lub zakłócających.

Aby spełnić zasadę niezmienności, konieczne są dwa warunki: idealna kompensacja wszystkich zakłócających wpływów i idealna reprodukcja sygnału zadania. Jest oczywiste, że osiągnięcie absolutnej niezmienności w rzeczywistych układach sterowania jest praktycznie niemożliwe. Zwykle ograniczają się one do częściowej niezmienności w odniesieniu do najbardziej niebezpiecznych zakłóceń. Rozważmy warunek niezmienności systemów sterowania z pętlą otwartą i kombinowanymi w odniesieniu do jednego zakłócającego wpływu.

Warunek niezmienności dla pętli otwartej i połączonego ASR. Rozważmy warunek niezmienności układu z otwartą pętlą (ryc. 26): y(t)= 0.

Ryż. 26. Schemat blokowy układu automatycznego sterowania w pętli otwartej

Przejdźmy do obrazów Laplace’a X B (r) I T(p) sygnały x V (t) I y(t), Przepiszmy ten warunek, biorąc pod uwagę funkcje przenoszenia obiektu wzdłuż kanałów zakłóceń WB(p) i regulacja W Р (p) i kompensator RK(p):

Y(p) = X B (p) 0. (97)

W obecności zakłóceń [ ] warunek niezmienności (97) jest spełniony jeżeli

W B (p) + R k (p)W P (p)=0,(98)

R k () = -W В ()/W Р ().(99)

Zatem, aby zapewnić niezmienność układu sterowania względem wszelkich zakłóceń, konieczne jest zainstalowanie kompensatora dynamicznego, którego funkcja przenoszenia jest równa stosunkowi funkcji przenoszenia obiektu wzdłuż kanałów zakłócenia i sterowania, przyjętych z przeciwnym znakiem.

Wyprowadźmy warunki niezmienności dla połączonych ASR. W przypadku, gdy sygnał z kompensatora jest doprowadzany do wejścia obiektu (patrz ryc. 24, a), schemat blokowy połączonego ASR jest konwertowany na połączenie szeregowe układu otwartej pętli i pętli zamkniętej ( patrz ryc. 24, b), których funkcje przenoszenia są odpowiednio równe:

.

W tym przypadku warunek niezmienności (97) zapisuje się jako:

Jeśli X B (p) 0 i W ZS p), musi być spełniony następujący warunek:

te. warunek niezmienności.

W przypadku stosowania połączonego układu sterowania (patrz ryc. 25, a) wyprowadzenie warunków niezmienności prowadzi do relacji ( patrz ryc. 25, b):

(101)

Jeśli XB(p)0 I W ZS (r), wówczas musi być spełniony następujący warunek:

R do (p) = -W B (p) /.(103)

Zatem po podłączeniu wyjścia kompensatora do wejścia sterownika funkcja przenoszenia kompensatora, uzyskana z warunku niezmienności, będzie zależała od charakterystyki nie tylko obiektu, ale także sterownika.

Warunki fizycznej realizacji niezmienniczych ASR. Jednym z głównych problemów pojawiających się przy konstruowaniu niezmienniczych układów sterowania jest ich fizyczna wykonalność, tj. wykonalność kompensatora spełniającego warunki (99) lub (103).

W przeciwieństwie do konwencjonalnych regulatorów przemysłowych, których struktura jest podana i konieczne jest jedynie obliczenie ich ustawień, struktura kompensatora dynamicznego jest całkowicie określona przez stosunek charakterystyk dynamicznych obiektu wzdłuż kanałów zakłócających i sterujących i może się okazać bardzo złożone, a jeśli stosunek tych cech jest niekorzystny, fizycznie niemożliwe.

„Idealne” kompensatory są fizycznie niewykonalne w dwóch przypadkach:

Jeżeli czysty czas opóźnienia w kanale sterującym jest większy niż w kanale zakłóceń. W takim przypadku idealny kompensator powinien zawierać ogniwo prowadzące, ponieważ jeśli:

(104)

, (105)

następnie biorąc pod uwagę (99):

(106)

Jeżeli w funkcji przeniesienia kompensatora stopień wielomianu w liczniku jest większy niż stopień wielomianu w mianowniku. W takim przypadku kompensator musi zawierać idealne ogniwa różnicujące. Wynik ten uzyskuje się dla pewnego stosunku rzędów równań różniczkowych opisujących kanały zakłócające i sterujące. Pozwalać

W В (р) = В в (Р)/ I Wp(p)= В р(Р)/,(107)

Gdzie B w (P), A B (p), V P (p), A P (p)- wielomiany stopni t V, n B, poseł I n s odpowiednio.

m K. = m B + n p ; n k = n do + m r.

Zatem warunkiem fizycznej realizacji niezmienniczego ASR jest spełnienie następujących zależności:

τ in ≥ τ р i m B + n p ≤ n in + m р.(108)

Przykład. Rozważmy układ kontroli temperatury w reaktorze chemicznym z mieszadłem, w którym zachodzi reakcja egzotermiczna (rys. 27).

Ryż. 27. Schemat ideowy reaktora chemicznego z urządzeniem mieszającym: 1 – miernik temperatury; 2 – zawór sterujący; 3 – przepływomierz

Niech główny kanał zakłócający – „natężenie przepływu mieszaniny reakcyjnej – temperatura w reaktorze” – będzie aproksymowany dwoma ogniwami aperiodycznymi pierwszego rzędu, a kanał kontrolny – „natężenie przepływu chłodziwa – temperatura w reaktorze” – przez trzy aperiodyczne ogniwa pierwszego rzędu:

, (109)

, (110)

Gdzie T 1 , T 2 , T 3 – największe stałe czasowe głównych zbiorników cieplnych reaktora, termometru i płaszcza chłodzącego.

Aby skonstruować niezmienniczy układ sterowania zgodny z wyrażeniem (99), należy wprowadzić kompensator z funkcją transmitancji:

, (111)

co jest fizycznie niewykonalne, ponieważ w tym przypadku warunek jest naruszony, a kompensator musi zawierać idealne ogniwo różnicujące.

Ćwiczenia

Zgodnie z przykładem opracuj układ sterowania instalacją rektyfikacyjną. Oblicz , .

Wstępne dane.

1. Schemat jednostki destylacyjnej (ryc. 28). Instalacja składa się z kolumny destylacyjnej DO, wymiennik ciepła do ogrzewania mieszaniny początkowej T-1, kocioł T-2, skraplacz T-3 i zbiornik zwrotny mi.

Kolumna oddziela mieszaninę binarną. Temperatury wrzenia rozdzielonych składników różnią się znacznie, przez co kolumna ma małą liczbę płytek i niewielką wysokość. Opóźnienia i bezwładność w kanałach transmisji wpływów zakłócających i kontrolnych są stosunkowo niewielkie. Istnieją silne wewnętrzne powiązania pomiędzy głównymi kontrolowanymi (regulowanymi) ilościami procesu – składem (temperaturą) destylatu i produktu dennego.

Strumień pary opuszczający szczyt kolumny destylacyjnej zawiera składniki, które w warunkach pracy wymiennika ciepła T-3 nie ulegają kondensacji do gazów obojętnych. Są one odprowadzane ze zbiornika nawadniającego w celu wdmuchnięcia (do sieci paliwowej).

Tryb pracy instalacji podlega dużym i częstym zakłóceniom: w zakresie przepływu F i skład XF surowy materiał; przez ciśnienie (przepływ) czynnika grzewczego podawanego do wymiennika ciepła T-I i kotła T-2; w zależności od ciśnienia (przepływu) czynnika chłodniczego dostarczanego do skraplacza T-3.

„Kluczową” kontrolą procesu rektyfikacji są organy regulacyjne na linii dostarczającej refluks do kolumny DO oraz przewody doprowadzające czynnik grzewczy do kotła T-2.

Ryż. 28. Schemat instalacji rektyfikacji

2. Ustawiamy parametry dynamiczne obiektu: (stałe czasowe T; opóźnienia τ; współczynnik transmisji DO v) poprzez kanały:

A. „zmiana pozycji regulatora P01 – zużycie surowca F» (X R 1 F);

B. „zmiana położenia regulatora P02 – zużycie czynnika grzewczego F 1 " (X R 2 F 1 );

B*. „zmiana położenia regulatora P02 – temperatura surowca θ F po T-1” (X R 2 θ F);

V. „zmiana stanowiska organu regulacyjnego P03 – skład destylatu X D» (X R 3 X D);

d. „zmiana położenia regulatora P04 – ciśnienie R w kolumnie” (X R 4 P);

d. „zmiana położenia regulatora P05 – poziom w kostce kolumny” (X R 5 L);

e. „zmiana stanowiska organu regulacyjnego P02 * - temperatura surowca θ F po T-1” (X R 2* θ F);

I. „zmiana stanowiska organu regulacyjnego P04 * - ciśnienie P w kolumnie” (X R 4* R);

H. „zmiana położenia regulatora P06 – temperatura w dolnej części kolumny” (X R 6 θ DO);

z*. „zmiana położenia regulatora PO6 – temperatura θ B na górze kolumny” (X R 6 θ B);

I. „zmiana położenia regulatora ROZ - temperatura θ B na górze kolumny” (X P3 θ B);

I * . „zmiana stanowiska organu regulacyjnego ROZ - temperaturaθ DO dół kolumny” (X R 3 θ DO).

3. Określa się wielkość zaburzeń działających na obiekt, wyrażoną w % skoku organu dozorowego:

kanał X R 1 F(na podstawie zużycia surowców F);

b) kanały X R 2 F 1 , X Р2 θ F(przez ciśnienie czynnika grzewczego P 1 i jego zawartość ciepła Q 1);

c) kanał X R 3 X D(w zależności od składu surowców XF);

d) kanał X P4 P(przez nacisk R 2 czynnik chłodniczy doprowadzony do skraplacza T-3);

d) kanał X R 5 L(według zawartości ciepła Q 2 czynnik grzewczy dostarczany do kotła T-2).

4. Określono wymagania dotyczące jakości procesu regulacji (błąd dynamiczny X maks, czas regulaminowy tP, stopień tłumienia procesów przejściowych ψ , błąd sterowania statycznego X cm).

Dane wyjściowe dla pozycji 2 zadania (poz. a - d), pozycji 3 i pozycji 4 podano w tabeli. 9, a dla punktów 2 (f, g, h, i) - w tabeli. 10 danych początkowych.

Tabela 9. Parametry dynamiczne obiektu i wymagania jakościowe dla procesu regulacji

Tabela 10. Parametry dynamiczne obiektu i wymagania jakościowe dla procesu regulacji

Pytania kontrolne

1. Kaskadowe systemy automatycznego sterowania w schematach sterowania procesami. Zasady ich budowy i działania. Przykłady kaskadowych systemów automatyki w przemyśle i energetyce.

2. Połączone zautomatyzowane systemy sterowania w schematach sterowania procesami. Zasady budowy i działania. Warunki wykonalności fizycznej. Przykłady kombinowanych systemów automatyki w przemyśle i energetyce.

PRAKTYKA nr 8 (2 godz.)