Kaskadna regulacija. Kaskadni automatski kontrolni sistemi (ASR)

Pitanja efikasnog rada pumpno-energetske opreme poslednjih godina postaju sve aktuelnija zbog povećanja tarifa za električnu energiju, čiji troškovi u ukupnoj strukturi troškova mogu biti veoma značajni.

Vodosnabdijevanje i kanalizacija su industrije sa intenzivnim korištenjem pumpne opreme; Dakle, pitanje smanjenja troškova energije za vodoopskrbne organizacije leži, prije svega, u efikasnom korištenju pumpne opreme.

U prosjeku, efikasnost crpnih stanica je 10-40%. Uprkos činjenici da se efikasnost najčešće korišćenih pumpi kreće od 60% za pumpe tipa K i KM i više od 75% za pumpe tipa D.

Glavni razlozi za neefikasnu upotrebu pumpne opreme su sljedeći:

Promjena veličine pumpi, tj. ugradnja pumpi sa parametrima protoka i pritiska većim od onih potrebnih za osiguranje rada pumpnog sistema;

Regulacija režima rada pumpe pomoću ventila.

Glavni razlozi koji dovode do prevelike veličine pumpi su sljedeći:

U fazi projektiranja, pumpna oprema se postavlja s rezervom u slučaju nepredviđenih vršnih opterećenja ili uzimajući u obzir budući razvoj mikrookrug, proizvodnju itd. Često postoje slučajevi kada takav faktor sigurnosti može doseći 50%;

Promjene parametara mreže - odstupanja od projektne dokumentacije tokom izgradnje, korozija cijevi u toku eksploatacije, zamjena dijelova cjevovoda u toku remonta i sl.;

Promjene u potrošnji vode zbog rasta ili smanjenja broja stanovnika, promjene u broju industrijskih preduzeća itd.

Svi ovi faktori dovode do toga da parametri pumpi instaliranih na pumpnim stanicama ne zadovoljavaju zahtjeve sistema. Kako bi se osigurali potrebni parametri crpne stanice za napajanje i pritisak u sistemu, pogonske organizacije pribjegavaju regulaciji protoka pomoću ventila, što dovodi do značajnog povećanja potrošnje energije kako zbog rada pumpe u zoni niske efikasnosti tako i zbog zbog gubitaka tokom prigušivanja.

Metode za smanjenje potrošnje energije pumpnih jedinica

Optimalna potrošnja energije ima značajan uticaj na životni ciklus pumpe. Studija izvodljivosti konkurentnosti izračunata je korišćenjem metodologije troškova životnog ciklusa koju su razvili specijalizovani zapadni instituti.

Tabela 1 govori o glavnim metodama koje, prema Američkom institutu za hidrauliku i Evropskom udruženju proizvođača pumpi, smanjuju potrošnju energije pumpe, a prikazuje i veličinu potencijalnih ušteda.

Tabela br. 1. Mjere za smanjenje potrošnje energije i njihove potencijalne veličine.

Glavni potencijal za uštedu energije leži u zamjeni kontrole protoka pumpe sa zasunom. frekvencijsko ili kaskadno upravljanje, tj. korištenje sistema koji mogu prilagoditi parametre pumpe zahtjevima sistema. Prilikom odlučivanja o upotrebi jedne ili druge metode upravljanja, potrebno je uzeti u obzir da svaki od ovih metoda također treba primijeniti, počevši od parametara sistema na kojem pumpa radi.

Rice. Kaskadno upravljanje režimom rada tri paralelno instalirane pumpe kada rade na mreži sa pretežno statičkom komponentom.

U sistemima sa velikom statičkom komponentom koristi se kaskadno upravljanje, tj. Povezivanje i isključivanje potrebnog broja pumpi omogućava vam da regulišete radni režim pumpi sa velikom efikasnošću.

Kaskadno upravljanje je regulacija u kojoj su dvije ili više upravljačkih petlji povezane tako da izlaz jednog regulatora prilagođava zadanu vrijednost drugog regulatora.

Slika iznad je blok dijagram koji ilustruje koncept kaskadne kontrole. Blokovi na dijagramu zapravo predstavljaju komponente dvije upravljačke petlje: master petlje, koju čine upravljački elementi A, E, F i G, i slave petlje, koju čine upravljački elementi A, B C, i D. Izlaz kontrolera glavne petlje je referenca (zadana vrijednost) za podređeni kontroler kontrolne petlje. Podređeni regulator kola proizvodi upravljački signal za aktuator.

Za procese koji imaju značajne karakteristike kašnjenja (kapacitivnost ili otpor koji usporavaju promjene u varijabli), podređena kontrolna petlja kaskadnog sistema može ranije otkriti neusklađenost u procesu i na taj način smanjiti vrijeme potrebno za uklanjanje neusklađenosti. Možemo reći da podređena kontrolna petlja “dijeli” kašnjenje i smanjuje utjecaj smetnje na proces.

U kaskadnom upravljačkom sistemu koristi se više od jednog primarnog senzorskog elementa, a kontroler (u podređenoj upravljačkoj petlji) prima više od jednog ulaznog signala. Prema tome, kaskadni sistem upravljanja je sistem upravljanja sa više petlji.

Primjer kaskadnog upravljačkog sistema

U gornjem primjeru, kontrolna petlja će na kraju biti vodeća petlja pri izgradnji kaskadnog kontrolnog sistema. Slave kolo će biti dodato kasnije. Svrha ovog procesa je zagrijavanje vode koja prolazi kroz unutrašnjost izmjenjivača topline, teče oko cijevi kroz koje prolazi para. Jedna od karakteristika procesa je da tijelo izmjenjivača topline ima veliku zapreminu i sadrži puno vode. Velika količina vode ima kapacitet koji joj omogućava da zadrži veliku količinu toplote. To znači da ako se promijeni temperatura vode koja ulazi u izmjenjivač topline, te promjene će se odraziti na izlazu iz izmjenjivača s velikim zakašnjenjem. Razlog kašnjenja je veliki kapacitet. Još jedna karakteristika ovog procesa je da parne cijevi odolijevaju prijenosu topline sa pare unutar cijevi na vodu izvan cijevi. To znači da će doći do kašnjenja između promjena u protoku pare i odgovarajućih promjena temperature vode. Razlog za ovo kašnjenje je otpor.

Primarni element u ovoj regulacijskoj petlji kontrolira temperaturu vode koja izlazi iz izmjenjivača topline. Ako se temperatura izlazne vode promijenila, odgovarajuća fizička promjena u primarnom elementu se mjeri pomoću pretvarača, koji pretvara vrijednost temperature u signal koji se šalje regulatoru. Regulator mjeri signal, upoređuje ga sa zadatom točkom, izračunava razliku, a zatim proizvodi izlazni signal koji upravlja regulacijskim ventilom na parovodu, koji je krajnji element regulacijske petlje (regulator). Ventil za kontrolu pare ili povećava ili smanjuje protok pare, omogućavajući da se temperatura vode vrati na zadanu tačku. Međutim, zbog karakteristika kašnjenja procesa, promjena temperature vode će biti spora i proći će dosta vremena prije nego što kontrolna petlja može očitati koliko se promijenila temperatura vode. Do tada je možda došlo do prevelikih promjena temperature vode. Kao rezultat toga, kontrolna petlja će generirati pretjerano snažno kontrolno djelovanje, što može dovesti do odstupanja u suprotnom smjeru (prekoračiti), i opet će „čekati“ rezultat. Zbog sporog odgovora kao što je ovaj, temperatura vode može se dugo povećavati i snižavati prije nego što se vrati na zadanu tačku.

Prolazni odziv kontrolnog sistema je poboljšan kada se sistem dopuni drugom kaskadnom kontrolnom petljom, kao što je prikazano na gornjoj slici. Dodata petlja je kaskadna kontrolna slave petlja.

Sada, kada se protok pare promijeni, ove promjene će osjetiti element senzora protoka (B) i izmjeriti ih transmiter (C), koji šalje signal podređenom kontroleru (D). Istovremeno, temperaturni senzor (E) u glavnoj upravljačkoj petlji bilježi svaku promjenu temperature vode koja izlazi iz izmjenjivača topline. Ove promjene mjere mjerni pretvarač (F), koji šalje signal glavnom kontroleru (G). Ovaj kontroler obavlja funkcije mjerenja, poređenja, proračuna i proizvodi izlazni signal koji se šalje podređenom kontroleru (D). Ovaj signal korigira zadanu vrijednost slave kontrolera. Podređeni regulator zatim uspoređuje signal koji prima od senzora protoka (C) s novom zadatom vrijednosti, izračunava razliku i generiše signal korekcije koji se šalje kontrolnom ventilu (A) kako bi se podesio protok pare.

U regulacionom sistemu sa dodatkom podređene regulacione petlje glavnoj petlji, dodatna petlja odmah oseti svaku promenu u protoku pare. Potrebna podešavanja se vrše gotovo odmah, prije nego što poremećaji protoka pare utiču na temperaturu vode. Ako dođe do promjena u temperaturi vode koja izlazi iz izmjenjivača topline, senzorski element opaža te promjene i glavna upravljačka petlja prilagođava zadanu vrijednost regulatora u podređenoj regulacijskoj petlji. Drugim riječima, postavlja zadanu tačku ili "pomiče" regulator u podređenoj kontrolnoj petlji kako bi podesio protok pare kako bi se postigla željena temperatura vode. Međutim, ovaj odgovor podređenog regulatora petlje na promjene u protoku pare smanjuje vrijeme potrebno za kompenzaciju smetnji zbog protoka pare.

Pronalazak se odnosi na oblast automatskog upravljanja. Tehnički rezultat se sastoji u povećanju brzine i smanjenju prekoračenja pri promjeni parametara objekta ili opterećenja, kao i u pojednostavljenju postupka izračunavanja postavki parametara regulatora. Tehnički rezultat je postignut činjenicom da se u unutrašnjem krugu koristi adaptivni tropoložajni regulator sa prosječnom pozicijom ovisno o opterećenju objekta. Pored toga, na osnovu rezultata rada regulatora unutrašnje petlje, kontrolno dejstvo bilo unutrašnjeg ili eksternog regulatora se povezuje na objekat pomoću upravljačkog uređaja. Kada pomoćni parametar napusti referentnu zonu radi interna kontrolna petlja, a kada se vrati u zonu, eksterna se uključuje, a interna petlja se isključuje. U ovom slučaju integralnu komponentu izlaznog signala eksternog regulatora formira unutrašnji regulator i jednaka je vrijednosti signala srednjeg položaja tropoložajnog regulatora u trenutku isključivanja unutrašnjeg kola. Prijelaz bez udarca na rad vanjskog regulatora i formiranje snažnog relejnog upravljačkog djelovanja u unutarnjem krugu osiguravaju veći kvalitet regulacije glavnog parametra. Vremenski neovisan rad eksternih i unutrašnjih kola omogućava korišćenje dobro poznatih inženjerskih metoda za proračun podešavanja regulatora u sistemima sa jednim krugom. 2 ill.

Predloženi uređaj se odnosi na oblast automatskog upravljanja i može se koristiti u sistemima automatskog upravljanja za objekte sa raspoređenim parametrima ili koji imaju najmanje dva podesiva parametra i jedno kontrolno dejstvo. Tradicionalni kaskadni kontrolni krug ima strukturu prikazanu na Sl. 1. Tehnološki kontrolni objekat (TOU) ima dva podesiva parametra: glavni Y1, budući da je cilj regulacije, i pomoćni Y2, koji se koristi za poboljšanje kvaliteta regulacije glavnog parametra. Regulaciju glavnog parametra-Y1 vrši eksterno kolo, koje uključuje ulazni komandni signal Y1 zgrade, eksterni (vodeći, korektivni) regulator R1 i funkcionalne blokove O max i O min, koji ograničava izlazni signal eksternog regulator od vrha do dna. Pomoćni parametar Y2 regulira se unutarnjim krugom koji uključuje unutarnji (slave, stabilizirajući) regulator R2. Za njega je komandni signal Y2 regulacioni uticaj eksternog regulatora, koji je master u odnosu na unutrašnji (slave) regulator. Potonji, R2, generiše kontrolnu akciju na objektu preko aktuatora (AD) na ulazu zajedničkom i glavnom parametru, Y1, i pomoćnom parametru, Y2. Signale o glavnim i pomoćnim parametrima eksternog i unutrašnjeg kola generišu senzori D1 i D2, respektivno, i dostavljaju se za upoređivanje sa signalima zadatka Y1 zgrada i Y2 zgrada uporednim elementima ES1 i ES2, respektivno. Uslov izvodljivosti (efikasnosti) ovakvih kaskadnih sistema je manja inercija objekta duž kanala pomoćnog parametra Y2 u odnosu na glavni Y1. Poznata je metoda kaskadne regulacije temperature u reaktoru sa korekcijom podešavanja temperaturnog regulatora na izlazu iz izmenjivača toplote (vidi Automatsko upravljanje u hemijskoj industriji: Udžbenik za univerzitete. Priredio E.G. Dudnikov. - M.: Hemija, 1987, str. 42 - 43, sl. 1.22). U ovoj metodi, unutrašnji krug je sistem automatske kontrole temperature na izlazu iz izmjenjivača topline, a vanjski krug je temperatura u reaktoru. Regulacijski efekat - protok pare se dovodi na ulaz izmjenjivača topline. Upravljački kanal, koji uključuje dva uređaja (izmjenjivač topline i reaktor) i cjevovode, je složen sistem visoke inercije. Na objekat utiče niz smetnji koje stižu u različite tačke sistema - pritisak i entalpija pare, temperatura i protok reakcione smeše, gubitak toplote u reaktoru itd. str. Kada dođe do poremećaja pritiska pare, regulator unutrašnjeg kruga menja stepen otvaranja regulacionog ventila na način da održava zadatu temperaturu na izlazu iz izmenjivača toplote. Kada dođe do poremećaja protoka reaktorske smjese, dolazi do temperature u reaktoru i, kao posljedica toga, postavlja se regulator temperature izmjenjivača topline, koji će opet promijeniti stepen otvaranja regulacijskog ventila ka ponovnom uspostavljanju temperatura u reaktoru i izmenjivaču toplote. U zavisnosti od zahteva za tačnost regulacije glavnog parametra, u spoljašnjoj petlji se koriste astatički (I, PI) regulatori, a u unutrašnjoj petlji se koriste statički brzi, obično P- ili PD-regulatori. Nedostatak ovakvih kaskadnih upravljačkih sistema je upotreba regulatora analognog tipa i s tim povezana komplikacija rješenja kola - uključivanje posebnih funkcionalnih blokova koji ograničavaju korekcijski signal vanjskog (vodećeg) regulatora odozgo i odozdo. Zbog toga se razmatrani kaskadni sistemi upravljanja, pri promeni parametara kontrolisanog objekta ili opterećenja, odlikuju relativno niskim performansama i velikim prekoračenjem u dinamici, tj. nedovoljan kvalitet regulacije. Još jedan nedostatak ovakvih kaskadnih sistema je složenost izračunavanja parametara podešavanja regulatora, uzrokovana potrebom da se koriste iterativne procedure za svako kolo posebno (prilikom podešavanja jednog od kontrolera, drugi sadrži još uvijek nedefinirane optimalne parametre). Svrha izuma je povećanje performansi i smanjenje prekoračenja pri promeni parametara objekata ili opterećenja, kao i pojednostavljenje postupka izračunavanja podešavanja parametara regulatora. Zadatak se postiže postavljanjem signala za postavljanje gornje Y2"" i donje Y2" dozvoljene vrijednosti pomoćnog parametra za kontroler interne petlje i određivanjem, u zadatom intervalu, greške neusklađenosti E1 za astatički vanjski regulator petlje, djelujući kroz aktuator na objektu u ovom intervalu koristeći analogni signal određen regulacijom ovog vanjskog regulatora kada pomoćni parametar napusti zonu podešavanja 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.

Kaskadni sistemi se koriste za automatizaciju objekata koji imaju veliku inerciju duž upravljačkog kanala, ako je moguće odabrati međukoordinatu koja je manje inercijalna u odnosu na najopasnije smetnje i za nju koristiti isto regulaciono djelovanje kao i za glavni izlaz objekta.

U ovom slučaju, upravljački sistem (slika 19) uključuje dva regulatora - glavni (spoljni) regulator R, koji služi za stabilizaciju glavnog izlaza objekta y, i pomoćni (unutrašnji) regulator R 1, dizajniran za regulaciju pomoćne koordinate at 1 .Cilj za pomoćni regulator je izlazni signal glavnog regulatora.

Izbor regulatornih zakona određen je svrhom regulatora:

Da bi se glavna izlazna koordinata održala na datoj vrijednosti bez statičke greške, zakon upravljanja glavnog regulatora mora uključivati ​​integralnu komponentu;

Od pomoćnog regulatora se traži da brzo reaguje, tako da može imati bilo koji zakon o regulaciji.

Poređenje jednostrukih i kaskadnih ASR-a pokazuje da se zbog veće brzine unutrašnje petlje u kaskadnom ASR-u povećava kvalitet prelaznog procesa, posebno kada se kompenzuju smetnje koje dolaze kroz kontrolni kanal. Ako se, u skladu sa uslovima procesa, nameće ograničenje na pomoćnu varijablu (na primer, temperatura ne bi trebalo da prelazi maksimalnu dozvoljenu vrednost ili odnos protoka treba da bude u određenim granicama), tada se ograničava i na izlazni signal glavnog regulatora, što je zadatak pomoćnog regulatora. Da biste to učinili, između regulatora je instaliran uređaj s karakteristikama sekcije pojačala sa zasićenjem.

Rice. 19. Blok šema kaskadno automatizovanog sistema upravljanja:

W, W 1 – glavni i pomoćni kanali at 1 kontrolisane količine objekta; R, R 1 – glavni i pomoćni regulatori; h R, h R1 – regulacioni uticaji regulatora R I R 1 ; ε, ε 1 – veličina neslaganja između trenutnih i zadatih vrijednosti kontrolisanih veličina at I at 1 ; at 0 – zadatak glavnom regulatoru R

Primjeri kaskadnih automatizovanih sistema upravljanja termotehničkim objektima. Na sl. Na slici 20 prikazan je primjer kaskadnog sistema za stabilizaciju temperature tekućine na izlazu iz izmjenjivača topline, u kojem je pomoćno kolo strujanje grijaće pare ASR. Kada dođe do poremećaja pritiska pare, regulator 1 menja stepen otvaranja regulacionog ventila na način da održava zadatu brzinu protoka. Ako je poremećena termička ravnoteža u aparatu (uzrokovana, na primjer, promjenom ulazne temperature ili brzine protoka tekućine, entalpije pare, gubitka topline u okolinu), što dovodi do odstupanja izlazne temperature od zadane vrijednosti, Regulator temperature 2 prilagođava postavku regulatoru protoka pare 1.

U termičkim tehnološkim procesima često glavne i pomoćne koordinate imaju istu fizičku prirodu i karakteriziraju vrijednosti istog tehnološkog parametra u različitim tačkama sistema (Sl. 21).

Fig.20. Kaskadni sistem kontrole temperature (stavka 2) sa korekcijom zadatka na regulator protoka pare (stavka 1)

Rice. 21. Blok dijagram kaskadne ASR sa mjerenjem pomoćne koordinate u međutački

Na sl. Slika 22 prikazuje fragment dijagrama toka procesa, uključujući grijač reakcione smjese 2 i reaktor 1, te sistem za stabilizaciju temperature u reaktoru.

Kontrolni učinak na protok pare se dovodi na ulaz izmjenjivača topline. Upravljački kanal, koji uključuje dva uređaja i cjevovoda, je složen dinamički sistem visoke inercije. Na objekat utiče niz smetnji koje stižu u različite tačke sistema: pritisak i entalpija pare, temperatura i brzina protoka reakcione smeše, gubitak toplote u reaktoru itd. Da bi se povećala brzina regulacionog sistema, kaskadno Koristi se ACS, u kojem je glavna kontrolirana varijabla temperatura u reaktoru, a kao pomoćna je odabrana temperatura mješavine između izmjenjivača topline i reaktora.

Rice. 22. Kaskadni sistem regulacije temperature (stavka 4) u reaktoru (stavka 1) sa korekcijom podešavanja regulatora temperature (stavka 3) na izlazu iz izmenjivača toplote (stavka 2)

Proračun kaskadne ASR. Proračun kaskadne ASR uključuje određivanje postavki glavnog i pomoćnog regulatora za date dinamičke karakteristike objekta duž glavnog i pomoćnog kanala. Budući da su postavke glavnog i pomoćnog regulatora međusobno zavisne, izračunavaju se metodom iteracije.

U svakom koraku iteracije izračunava se smanjeni ASR u jednoj petlji, u kojem se jedan od kontrolera uslovno poziva na ekvivalentni objekat. Kao što se može vidjeti iz blok dijagrama na sl. 23, ekvivalentni objekt za glavni regulator (slika 23, a) je serijski spoj zatvorenog pomoćnog kola i glavnog upravljačkog kanala; njegova prijenosna funkcija je jednaka

(93)

Rice. 23. Blok šeme ekvivalentnog jednokružnog upravljačkog sistema sa glavnim (a) i pomoćnim (b) regulatorom: na vrhu - ekvivalentna jednostruka šema; ispod – konverzija kaskadne ACP u jednokružno

Ekvivalentni objekat za pomoćni regulator 2 (slika 23) je paralelna veza pomoćnog kanala i glavnog sistema otvorene petlje. Njegova prijenosna funkcija ima oblik:

(p)=W 1 (p) – W(p)R(p).(94)

Proračun počinje s glavnim regulatorom. Metoda se koristi u slučajevima kada je inercija pomoćnog kanala mnogo manja od inercije glavnog. U prvom koraku se pretpostavlja da je radna frekvencija glavnog kola ( ω p) mnogo manje od pomoćnog ( ω p1) i na ω=ω r

. (95)

. (96)

Dakle, kao prva aproksimacija, postavke S 0 glavni regulator 1 ne zavisi od R1(p) i nalaze se kod W e °(p).

U drugom koraku izračunavaju se postavke pomoćnog regulatora za ekvivalentni objekt (1) s prijenosnom funkcijom W 1 e (p), u koji se zamenjuju R(p,S°).

Kombinirani ACP

Kombinovani automatizovani sistemi upravljanja koriste se u automatizaciji objekata podložnih značajnim kontrolisanim smetnjama. Sistemi se nazivaju kombinovani jer se u njihovoj konstrukciji koriste dva principa regulacije: „odstupanjem“ (Polzunovov princip) i „poremećajem“ (Ponceletov princip). Sistemi izgrađeni po Polzunovom principu imaju negativnu povratnu spregu i rade u zatvorenom ciklusu. Disturbance (Poncelet) sistemi nemaju povratnu informaciju i rade u otvorenoj petlji.

Postoje dva načina za izgradnju kombinovanih automatizovanih sistema upravljanja sa blok dijagramima prikazanim na Sl. 24 i 25. Kao što se vidi iz ovih blok dijagrama, oba sistema imaju zajedničke karakteristike: prisustvo dva kanala uticaja na izlaznu koordinatu objekta i korišćenje dve kontrolne petlje - zatvorene (preko regulatora 1). ) i otvoren (preko kompenzatora 2 ). Jedina razlika je u tome što se u drugom slučaju korektivni impuls iz kompenzatora ne dovodi na ulaz objekta, već na ulaz regulatora.

Rice. 24. Blok dijagrami kombinovanog ASR-a pri povezivanju izlaza kompenzatora na ulaz objekta: a – originalni dijagram; b – konvertovani dijagram; 1 – regulator; 2 – kompenzator

Rice. 25. Blok dijagrami kombinovanog ASR-a pri povezivanju izlaza kompenzatora na ulaz regulatora: a – originalno kolo; b – konvertovani dijagram; 1 – regulator; 2 – kompenzator

Uvođenjem korektivnog impulsa za najjače smetnje može se značajno smanjiti greška dinamičkog upravljanja, pod uslovom da je dinamički uređaj koji formira zakon promjene ovog utjecaja pravilno odabran i izračunat.

Osnova za proračun ovakvih sistema je princip invarijantnosti: odstupanje izlazne koordinate sistema od navedene vrijednosti mora biti identično jednako nuli pod bilo kakvim pogonskim ili ometajućim utjecajima.

Za ispunjenje principa invarijantnosti neophodna su dva uslova: idealna kompenzacija svih ometajućih uticaja i idealna reprodukcija signala zadatka. Očigledno je da je postizanje apsolutne invarijantnosti u realnim upravljačkim sistemima praktično nemoguće. Obično su ograničeni na djelomičnu invarijantnost u odnosu na najopasnije smetnje. Razmotrimo uslov invarijantnosti otvorenih i kombinovanih sistema upravljanja u odnosu na jedan remećejući uticaj.

Uvjet invarijantnosti za otvorenu petlju i kombinirani ASR. Razmotrimo uslov invarijantnosti sistema otvorene petlje (slika 26): y(t)= 0.

Rice. 26. Blok dijagram otvorenog sistema automatskog upravljanja

Prelazimo na Laplace slike X B (r) I Y(p) signale x V (t) I y(t), Prepišimo ovaj uvjet uzimajući u obzir prijenosne funkcije objekta duž kanala poremećaja WB(p) i regulacija W R (p) i kompenzator RK(p):

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

U prisustvu smetnji[ ] uslov invarijantnosti (97) je zadovoljen ako

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

R k () = -W V ()/W R ().(99)

Dakle, da bi se osigurala nepromjenjivost regulacijskog sistema u odnosu na bilo koju smetnju, potrebno je ugraditi dinamički kompenzator čija je prijenosna funkcija jednaka omjeru prijenosnih funkcija objekta duž kanala poremećaja i kanala upravljanja, uzetih sa suprotnim predznakom.

Hajde da izvedemo uslove invarijantnosti za kombinovane ASR. Za slučaj kada se signal iz kompenzatora dovodi na ulaz objekta (vidi sliku 24, a), blok dijagram kombinovanog ASR se pretvara u serijsku vezu sistema otvorene petlje i zatvorene petlje ( vidi sliku 24, b), čije su prijenosne funkcije jednake:

.

U ovom slučaju, uslov invarijantnosti (97) je zapisan kao:

Ako je X B (p) 0 i W ZS(p), mora biti ispunjen sljedeći uslov:

one. uslov invarijantnosti.

Kada se koristi kombinovani sistem upravljanja (vidi sliku 25, a), izvođenje uslova invarijantnosti dovodi do relacija ( vidi sliku 25, b):

(101)

Ako XB(p)0 I W ZS (r) , tada mora biti ispunjen sljedeći uslov:

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

Dakle, pri spajanju izlaza kompenzatora na ulaz regulatora, prijenosna funkcija kompenzatora, dobivena iz uvjeta invarijantnosti, ovisit će o karakteristikama ne samo objekta, već i regulatora.

Uslovi za fizičku izvodljivost invarijantnih ASR-a. Jedan od glavnih problema koji se javljaju prilikom konstruisanja invarijantnih upravljačkih sistema je njihova fizička realizivost, tj. izvodljivost kompenzatora koji ispunjava uslove (99) ili (103).

Za razliku od konvencionalnih industrijskih regulatora, čija je struktura data i potrebno je samo izračunati njihova podešavanja, struktura dinamičkog kompenzatora u potpunosti je određena omjerom dinamičkih karakteristika objekta duž kanala smetnji i upravljanja i može se ispostaviti biti vrlo složen, a ako je odnos ovih karakteristika nepovoljan, fizički nemoguć.

“Idealni” kompenzatori su fizički neostvarivi u dva slučaja:

Ako je neto vrijeme kašnjenja duž kontrolnog kanala veće nego kroz kanal smetnji. U ovom slučaju, idealan kompenzator bi trebao sadržavati olovnu vezu, jer ako:

(104)

, (105)

tada uzimajući u obzir (99):

(106)

Ako je u prijenosnoj funkciji kompenzatora stepen polinoma u brojniku veći od stepena polinoma u nazivniku. U ovom slučaju, kompenzator mora sadržavati idealne diferencirajuće veze. Ovaj rezultat se dobija za određeni odnos redova diferencijalnih jednadžbi koje opisuju kanale poremećaja i regulacije. Neka

W V (r) = V v (R)/ I Wp(p)= V r(R)/,(107)

Gdje B u (P), A B (p), V P (p), A P (p)- polinomi stepeni t V, n B, m P I n p shodno tome.

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

Dakle, uslov za fizičku ostvarivost invarijantnog ASR je da su zadovoljeni sledeći odnosi:

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

Primjer. Razmotrimo sistem za kontrolu temperature u hemijskom reaktoru sa uređajem za mešanje u kojem dolazi do egzotermne reakcije (slika 27).

Rice. 27. Šematski dijagram hemijskog reaktora sa uređajem za miješanje: 1 – mjerač temperature; 2 – kontrolni ventil; 3 – mjerač protoka

Neka se glavni kanal smetnji - "brzina protoka reakcione smjese - temperatura u reaktoru" - aproksimira sa dvije aperiodične veze prvog reda, a kontrolni kanal - "brzina protoka rashladne tekućine - temperatura u reaktoru" - sa tri aperiodične veze prvog reda:

, (109)

, (110)

Gdje T 1 , T 2 , T 3 – najveće vremenske konstante glavnih termičkih rezervoara reaktora, termometra i rashladnog omotača.

Za konstruiranje invarijantnog upravljačkog sistema u skladu s izrazom (99), potrebno je uvesti kompenzator s prijenosnom funkcijom:

, (111)

što je fizički neostvarivo, jer je u ovom slučaju narušen uvjet i kompenzator mora sadržavati idealnu diferencirajuću kariku.

Vježbajte

U skladu sa primjerom, razviti sistem upravljanja za postrojenje za ispravljanje. Izračunaj , .

Početni podaci.

1. Šema jedinice za destilaciju (Sl. 28). Instalacija se sastoji od destilacijske kolone TO, izmjenjivač topline za zagrijavanje početne smjese T-1, kotao T-2, kondenzator T-3 i refluks rezervoar E.

Kolona odvaja binarnu mešavinu. Tačke ključanja odvojenih komponenti značajno se razlikuju, zbog čega kolona ima mali broj ploča i malu visinu. Kašnjenja i inercija duž kanala prenosa ometajućih i kontrolnih uticaja su relativno mali. Postoje jake unutrašnje unakrsne veze između glavnih kontrolisanih (regulisanih) količina procesa – sastava (temperatura) destilata i donjeg proizvoda.

Struja pare koja napušta vrh destilacione kolone sadrži komponente koje se ne kondenzuju u inertne gasove u uslovima rada T-3 izmenjivača toplote. Ispuštaju se iz rezervoara za navodnjavanje radi uduvavanja (u mrežu goriva).

Način rada instalacije podložan je velikim i čestim smetnjama: u pogledu protoka F i sastav XF sirovine; pritiskom (protokom) grejnog sredstva koji se dovodi u T-I izmenjivač toplote i kotao T-2; prema pritisku (protoku) rashladnog sredstva koje se dovodi u kondenzator T-3.

„Ključne“ kontrole procesa rektifikacije su regulatorna tijela na dovodu refluksa do kolone TO i vodovi za dovod toplotnog sredstva do kotla T-2.

Rice. 28. Šema rektifikacije

2. Postavljaju se dinamički parametri objekta: (vremenske konstante T; kašnjenja τ; koeficijent prenosa TO v) putem kanala:

A. “promjena položaja regulatora P01 – potrošnja sirovina F» ( X R 1 F);

b. “promjena položaja regulatora P02 – potrošnja sredstva za grijanje F 1" ( X R 2 F 1 );

b*. “promjena položaja regulatora P02 - temperatura sirovine θ F nakon T-1" ( X R 2 θ F);

V. “promjena položaja regulatornog tijela P03 – sastav destilata X D» ( X R 3 X D);

d “promjena položaja regulatora P04 - pritisak R u koloni" ( X R 4 P);

d “promjena položaja regulatora P05 - nivo u kocki stuba” ( X R 5 L);

e „promjena položaja regulatornog tijela P02 * - temperatura sirovine θ F nakon T-1" ( X R 2* θ F);

i. “promjena položaja regulatornog tijela P04 * - pritisak P u koloni" ( X R 4* P);

h. “promjena položaja regulatora P06 - temperatura na dnu kolone” ( X R 6 θ TO);

z*. “promena položaja regulacionog tela PO6 - temperatura θ B na vrhu stuba” ( X R 6 θ B);

I. “promjena položaja regulacionog tijela ROZ - temperatura θ B na vrhu kolone" (X P3 θ B);

I * . “promjena položaja regulatornog tijela ROZ - temperaturaθ TO dno kolone" ( X R 3 θ TO).

3. Navedene su veličine smetnji koje djeluju na objekt, izražene u % hoda regulatornog tijela:

a) kanal X R 1 F(na osnovu potrošnje sirovina F);

b) kanali X R 2 F 1 , X P2 θ F(pritiskom sredstva za grijanje P 1 i njegov sadržaj toplote q 1);

c) kanal X R 3 X D(prema sastavu sirovina XF);

d) kanal X P4 P(pritiskom R 2 rashladno sredstvo dovedeno u kondenzator T-3);

d) kanal X R 5 L(prema sadržaju toplote q 2 grejno sredstvo dovedeno u kotao T-2).

4. Precizirani su zahtjevi za kvalitet procesa regulacije (dinamička greška X max, regulacijsko vrijeme tP, stepen slabljenja prelaznih procesa ψ , greška statičke kontrole X cm).

Početni podaci za tačku 2 zadatka (tačke a - d), tačku 3 i stavku 4 dati su u tabeli. 9, a za tačke 2 (f, g, h, i) - u tabeli. 10 početni podaci.

Tabela 9. Dinamički parametri objekta i zahtjevi kvalitete za proces regulacije

Tablica 10. Dinamički parametri objekta i zahtjevi kvalitete za proces regulacije

Sigurnosna pitanja

1. Kaskadni automatizovani sistemi upravljanja u šemama upravljanja procesima. Principi njihove konstrukcije i rada. Primjeri kaskadnih automatizovanih sistema upravljanja u industriji i energetici.

2. Kombinovani automatizovani sistemi upravljanja u šemama upravljanja procesima. Principi konstrukcije i rada. Uslovi fizičke izvodljivosti. Primeri kombinovanih automatizovanih sistema upravljanja u industriji i energetici.

PRAKTIKUM br. 8 (2 sata)