Moduri de setări ale diagramei de control al supapei în cascadă. Kit de comandă regulator în cascadă E8.4401, KROMSCHRODER. Exemplu de sistem de control în cascadă

Invenţia se referă la domeniul controlului automat. Rezultatul tehnic constă în creșterea vitezei și reducerea depășirii la modificarea parametrilor obiectului sau ai sarcinii, precum și în simplificarea procedurii de calcul a setărilor parametrilor controlerului. Rezultatul tehnic este atins datorită faptului că în circuitul intern este utilizat un controler adaptiv cu trei poziții cu o poziție medie în funcție de sarcina obiectului. În plus, pe baza rezultatului funcționării regulatorului de buclă internă, o acțiune de control a unui regulator intern sau extern este conectată la obiect folosind un dispozitiv de control. Când parametrul auxiliar părăsește zona de referință, bucla de control internă funcționează, iar când revine în zonă, cea externă este pornită și bucla internă este oprită. În acest caz, componenta integrală a semnalului de ieșire al regulatorului extern este formată de regulatorul intern și este egală cu valoarea semnalului poziției medii a regulatorului cu trei poziții în momentul în care circuitul intern este oprit. O tranziție fără șocuri la funcționarea regulatorului extern și formarea unei acțiuni puternice de control a releului în circuitul intern asigură o calitate mai înaltă a reglarii parametrului principal. Funcționarea independentă de timp a circuitelor externe și interne permite utilizarea unor metode de inginerie binecunoscute pentru calcularea setărilor regulatoarelor în sistemele cu un singur circuit. 2 bolnavi.

Dispozitivul propus se referă la domeniul controlului automat și poate fi utilizat în sistemele automate de control pentru obiecte cu parametri distribuiți sau având cel puțin doi parametri reglabili și o acțiune de control. Circuitul tradițional de control în cascadă are structura prezentată în Fig. 1. Obiectul de control tehnologic (TOU) are doi parametri reglabili: principalul Y1, deoarece este scopul reglării, și auxiliarul Y2, care este utilizat pentru a îmbunătăți calitatea reglării parametrului principal. Reglarea parametrului principal-Y1 este realizată de un circuit extern, care include clădirea semnalului de comandă de intrare Y1, un regulator extern (conducător, corector) R1 și blocurile funcționale O max și O min, care limitează semnalul de ieșire al externului. regulator de sus în jos. Parametrul auxiliar Y2 este reglat de un circuit intern care include un regulator intern (slave, stabilizator) R2. Pentru aceasta, semnalul de comandă Y2 este influența de reglare a regulatorului extern, care este maestru în raport cu regulatorul intern (slave). Acesta din urmă, R2, generează o acțiune de control asupra obiectului printr-un actuator (AD) la intrarea comună atât pentru parametrul principal, Y1, cât și pentru parametrul auxiliar, Y2. Semnalele despre parametrii principali și auxiliari ai circuitelor externe și interne sunt generate de senzorii D1 și respectiv D2 și sunt furnizate pentru comparare cu semnalele de sarcină clădire Y1 și clădire Y2 cu elementele de comparație ES1 și, respectiv, ES2. Condiția pentru fezabilitatea (eficiența) unor astfel de sisteme în cascadă este o inerție mai mică a obiectului de-a lungul canalului parametrului auxiliar Y2 în raport cu principalul Y1. Există o metodă cunoscută pentru controlul temperaturii în cascadă într-un reactor cu corectarea setării regulatorului de temperatură la ieșirea schimbătorului de căldură (vezi. Control automat în industria chimică: Manual pentru universităţi. Ed. E.G.Dudnikova. -M.: Chimie, 1987, p. 42 - 43, fig. 1.22). În această metodă, circuitul intern este sistemul automat de control al temperaturii la ieșirea schimbătorului de căldură, iar circuitul extern este temperatura din reactor. Efect de reglare - fluxul de abur este furnizat la intrarea schimbătorului de căldură. Canalul de control, care include două dispozitive (schimbător de căldură și reactor) și conducte, este un sistem complex cu inerție mare. Obiectul este afectat de o serie de perturbări care sosesc în diferite puncte ale sistemului - presiunea aburului și entalpia, temperatura și debitul amestecului de reacție, pierderea de căldură în reactor etc. Când există o perturbare a presiunii aburului, regulatorul de circuit modifică gradul de deschidere al supapei de control astfel încât să mențină temperatura setată la ieșirea schimbătorului de căldură. Când există o perturbare a debitului amestecului de reacție, există o temperatură în reactor și, în consecință, este setat regulatorul de temperatură al schimbătorului de căldură, care va modifica din nou gradul de deschidere al supapei de control spre restabilirea temperatura în reactor și schimbător de căldură. În funcție de cerințele pentru precizia reglării parametrului principal, regulatoarele astatice (I, PI) sunt utilizate în bucla externă, iar regulatoarele statice de mare viteză, de obicei P- sau PD, sunt utilizate în bucla internă. Dezavantajul unor astfel de sisteme de control în cascadă este utilizarea regulatoarelor de tip analog și complicația asociată a soluțiilor de circuit - includerea de blocuri funcționale speciale care limitează semnalul de corecție al regulatorului extern (conducător) de sus și de jos. Din această cauză, sistemele de control în cascadă considerate, la modificarea parametrilor obiectului sau sarcinii controlate, se caracterizează prin performanțe relativ scăzute și depășiri mari în dinamică, de exemplu. calitate insuficientă a reglementării. Un alt dezavantaj al unor astfel de sisteme în cascadă este complexitatea calculării parametrilor de reglare a controlerelor, cauzată de necesitatea utilizării procedurilor iterative pentru fiecare circuit separat (la reglarea unuia dintre controlere, celălalt conține încă parametri optimi nedefiniti). Scopul invenției este de a crește performanța și de a reduce depășirea la modificarea parametrilor obiectelor sau sarcinilor, precum și de a simplifica procedura de calcul a setărilor parametrilor controlerului. Sarcina este realizată prin setarea semnalelor pentru setarea valorilor admisibile superioare Y2"" și inferioare Y2" ale parametrului auxiliar pentru controlerul buclei interne și determinând, la un interval dat, eroarea de nepotrivire E1 pentru controlerul de buclă externă astatic, acționând printr-un actuator asupra obiectului la acest interval folosind semnal analogic determinat de reglarea acestui regulator extern. Când parametrul auxiliar părăsește zona de setare 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 precizie specificată . În caz contrar, în fiecare moment, obiectul este controlat doar de unul dintre regulatoare: cel intern, dacă parametrul auxiliar Y2 este în afara zonei moarte a regulatorului intern, sau cel extern, când Y2 este în zonă. . Funcționarea regulatoarelor este controlată de parametrul auxiliar Y2 (mai precis, de semnalul de eroare E2 între Y2 și semnalele de setare Y2" și Y2""), care în acest sens devine parametrul principal al obiectului, adică parametrul care determină logica de funcționare a dispozitivului de control al regulatoarelor, generând acțiunile de control corespunzătoare asupra regulatoarelor, pe baza semnalului de nepotrivire E2 Asigurând funcționarea simultană fie a regulatorului extern, fie a regulatorului intern, adică a autonomiei externe și a regulatorului. circuitele interne ale sistemului de control în cascadă, datorită comutării lor logice prin dispozitivul de control, nu este nevoie de o procedură iterativă complexă de calculare a setărilor regulatoarelor și devine posibilă utilizarea metodelor binecunoscute pentru calcularea sistemelor cu un singur circuit. de acțiune analogică și pozițională (vezi, de exemplu, Magergut V.Z., Vent D.P., Katser I.A. Metode de inginerie pentru selectarea și calcularea setărilor optime ale regulatoarelor industriale. Novomoskovsk, NF RKhTU, 1994. 158 p.). Aplicarea în bucla internă a unei metode adaptive de control în trei poziții cu o poziție medie ajustată la sarcina obiectului (vezi autorul St. N 458812. Metoda controlului automat în trei poziții. Magergut V.Z., Gimpelson V.G., Stalnov P.I., Belyaev Yu .V. Bull. 4 din 30 ianuarie 1975) permite, pe de o parte, generarea unei acțiuni puternice de control a releului, conducând la o creștere a vitezei sistemului de control și o reducere a suprareglării parametrului principal și , pe de altă parte, să se asigure în același timp că acțiunea de control este aproximativ corespunzătoare valorii sarcinii și, datorită monitorizării acestei valori a componentei integrale a circuitului extern, să efectueze comutarea fără șocuri a acțiunii de control a externului. regulator la această valoare atunci când este conectat la obiect. Controlerul circuitului intern dă o sarcină controlerului circuitului extern, nu în funcție de sarcină, ci în funcție de semnalul de ieșire al componentei sale integrale, asigurând astfel că controlerul extern este pornit fără șoc în momentul în care auxiliarul parametrul obiectului Y2 intră în zona moartă a controlerului intern și reglează fin acțiunea de control asupra valorii de încărcare a obiectului. Altfel, în metoda propusă, regulatorul intern devine, parcă, un lider în raport cu regulatorul extern, care a devenit sclav. Astfel, se propune o metodă de control automat în cascadă prin măsurarea unui parametru auxiliar al unui obiect și stabilizarea acestuia cu ajutorul unui sistem de control cu ​​un singur circuit, măsurarea parametrului principal al unui obiect și stabilizarea acestuia folosind un sistem de control astatic cu un singur circuit și generarea unui semnal de sarcină către regulatorul buclei interne, caracterizat prin aceea că semnalele de sarcină sunt setate la valori admisibile superioare și inferioare ale parametrului auxiliar al obiectului pentru controlerul buclei interne și determină, la un interval dat, eroarea de nepotrivire pentru controler astatic al buclei externe, care acționează prin intermediul actuatorului asupra obiectului într-un interval dat folosind un semnal analogic determinat de legea de reglare a regulatorului astatic al buclei externe, la ieșirea parametrului auxiliar al unui obiect dintr-un anumit interval, de la ieșirea regulatorului de buclă internă, o acțiune de control de tip releu cu un semn este furnizată actuatorului, reducând abaterea parametrului auxiliar al obiectului de la valorile admise superioare și inferioare și parametrul principal al obiect - de la valoarea specificată și, în același timp, acțiunea de control a regulatorului astatic al buclei externe este oprită, formează și salvează componenta integrală a acestui controler la nivelul poziției medii a semnalului de ieșire al circuitului intern. controler de circuit; când parametrul auxiliar al obiectului revine la intervalul specificat, acțiunea de control a regulatorului buclei interne este dezactivată simultan și acțiunea de control a regulatorului astatic al buclei exterioare este activată. Metoda propusă este ilustrată diagrama functionala prezentată în fig. 2. Circuitul conține un obiect de control tehnologic 1, un regulator extern al buclei de control 2 și un controler al punctului de referință 3, o unitate de comparație 4, un controler al buclei interne 5, punctele de referință de nivel superior și inferior 6 și respectiv 7, o unitate de comparație 8, un dispozitiv de control 9, un dispozitiv de acţionare 11, respectiv 12 parametrii principali şi, respectiv, auxiliari. Metoda de control automat în cascadă se realizează după cum urmează. Parametrul Y1 este măsurat continuu cu ajutorul senzorului 11 și stabilizat cu ajutorul unui controler automat 2 conform unei legi astatice cu influență asupra actuatorului 10. Parametrul auxiliar Y2 este măsurat continuu cu ajutorul senzorului 12 și, folosind controlerele 6 și 7, valoarea de setare pentru se formează nivelurile superioare și inferioare ale acestui parametru. Folosind un controler adaptiv cu trei poziții 5, valoarea acestui parametru este menținută automat într-un interval dat, acționând asupra actuatorului 10. Dispozitivul de control 9 măsoară continuu eroarea de nepotrivire E2 a buclei de control interne și, în funcție de mărimea și semn al acestei erori, pornește acțiunea de reglementare provenind fie de la un regulator intern, fie de la un regulator extern. Atunci când parametrul auxiliar părăsește zona de setare de la ieșirea regulatorului de circuit intern 5, actuatorului este furnizată o acțiune de control de tip releu, cu un semn care reduce abaterea parametrului auxiliar de la valorile extreme specificate ale interval și parametrul principal din valoarea specificată. În același timp, dispozitivul de control 9 oprește acțiunea de control a regulatorului astatic extern 2, formând și menținând componenta sa integrală la nivelul poziției medii a semnalului de ieșire al regulatorului adaptiv cu trei poziții 5. Deoarece în Metoda propusă de control automat în cascadă, regulatoarele circuitelor externe și interne funcționează uniform, apoi pentru perioada în care regulatorul este oprit 2 bucle externe de la actuatorul 10, canalul de comunicație între ieșirile controlerului 5 și 2 este utilizat pentru a furniza semnalul poziției medii a controlerului adaptiv 5 către controlerul 2 pentru a forma o componentă integrală în acesta egală cu semnalul poziției medii a controlerului 5. Astfel, de-a lungul canalului marcat cu săgeți multidirecționale , semnalul trece fie de la ieșirea regulatorului 2 la actuatorul 10, fie de la regulatorul 5 (de la legătura de formare a poziției de mijloc) la regulatorul 2 (la componenta integrală a regulatorului). Să luăm în considerare utilizarea acestei metode pentru diverse sisteme cunoscute reglare în cascadă. Deci, pentru o metodă analogică - controlul temperaturii în cascadă într-un reactor - se rezumă la următoarele: parametrul principal al obiectului de control este temperatura T r în reactor și temperatura auxiliară T t la ieșirea schimbătorului de căldură. Pentru acesta din urmă, sunt setate două valori ale setării sale - mai mult decât nominalul T t "" și mai mic decât T t ". Pentru reactor, valoarea setată a temperaturii T rzd este setată și este menținută de un controler PI convențional folosind un sistem de control cu ​​o singură buclă Când temperatura se abate, reactorul T r se abate simultan de la valoarea nominală și de la temperatura T t la ieșirea schimbătorului de căldură, iar aceasta din urmă iese din zonă. valorile lui T t "" sau T t " apar mai repede decât abaterea lui Tr de la Trzd cu cantitatea de precizie de control necesară ( datorită inerției mai mici a obiectului de-a lungul canalului: temperatura la ieșirea din schimbătorul de căldură T t - acțiunea de control Gn pentru abur și alegerea corespunzătoare a valorilor T t "" și T t ". Controlerul adaptiv de poziție este activat și formează o acțiune de control releu asupra obiectului conform Gn ( Gn superior " " sau Gn mai mic ", care vizează întoarcerea T t în zonă, la T rzd În același timp, prin influența pozițională asupra obiectului, se formează o nouă valoare a poziției medii a acestui regulator Gn av, corespunzătoare noului. valoarea încărcăturii obiectului sau o modificare echivalentă a parametrilor acestuia. Această nouă valoare este monitorizată în partea integrală a controlerului PI, care, atunci când controlează un obiect printr-un controler de poziție adaptiv intern, este deconectat de la controlul obiectului. Când Tt intră în zonă, datorită acțiunii puternice și rapide de control al poziției (deoarece va fi mai puternic și mai rapid decât influența chiar și a controlerului PD utilizat în metoda prototipului), apare o trecere la o nouă valoare a Gn cp atât în controlerul de buclă intern și într-un controler PI conectat în schimb la controlul obiectului, i.e. controlul obiectului începe cu o nouă valoare a acțiunii de control, echilibru (sau aproape) de noua valoare a sarcinii. Acesta din urmă, împreună cu revenirea rapidă a lui T t în zonă, și T r la T rzd, asigură și o creștere a calității reglementării prin metoda propusă. Să luăm în considerare al doilea exemplu de utilizare a metodei de reglare automată a funcționării unui condensator de reflux în timpul distilării automate. Sf. N 971395. Magergut V.Z., Bebelis V.Ya., Maslennikov I.M., Bull. 41 din 07.11.82. Obiectul este un deflegmator, în care este necesară menținerea temperaturii Td la ieșire (parametrul principal). Pentru a îmbunătăți acuratețea, se propune o metodă tradițională de control în cascadă, în care P d din partea inferioară a deflegmatorului este utilizat ca parametru auxiliar, adică. la intrarea sa. Acțiunea de control este debitul de agent frigorific Gx în deflegmator. Pentru a crește eficiența acestui sistem, puteți folosi și metoda pe care o propunem. Pentru un circuit intern bazat pe controlul adaptiv al poziției, va fi necesar să setați două valori de presiune la intrarea în condensatorul de reflux: P d "" și P d " - respectiv, mai mult și mai puțin decât cel nominal. va functiona similar cu cel considerat pentru obiectul primului exemplu O imbunatatire a calitatii reglarii se va realiza astfel: datorita vitezei mari si influentei mai puternice a circuitului intern, si in acelasi timp gasirea unui nou echilibru. valoarea acțiunii de control corespunzătoare noii valori a poziției medii adaptive a regulatorului intern Datorită autonomiei de funcționare a fiecărei bucle de control (externă și internă), reglarea regulatoarelor este aceeași ca în cazul. în primul rând, iar în al doilea exemplu, va fi în mod natural mai ușor decât pentru prototip, toate celelalte sisteme automate de control în cascadă utilizate în industrie, având doi parametri reglabili (principal și auxiliar) cu o singură acțiune de control, vor fi modificate în mod similar. , cu condiția suplimentară ca acțiunea de control să nu fie în același timp un parametru auxiliar. În prezent, autorii implementează metoda propusă la un număr de întreprinderi din regiunile Tula și Ryazan: JSC ORGSINTEZ și NAC AZOT, JSC Klyuchany Distillery, atât prin înlocuirea metodelor existente de control automat în cascadă, cât și prin implementarea independentă a metodei propuse pentru o serie de de obiecte, cu toate efectele economice care decurg.

Fig.1. Structura unui controler de temperatură PID în cascadă într-o manta de reactor

Fig.2. Structura unui controler de temperatură PID în cascadă într-un răcitor cu reflux de reactor

1. Regulatori

Puncte generale

– Subsistemul de control este format din patru regulatoare PID, formând două cascade de control (Fig. 1., Fig. 2.);

– Controlul regulatoarelor master și slave (schimbarea modului de funcționare și a setării) este întotdeauna permis, indiferent dacă reactorul este în funcțiune sau nu, atât din diagrama mnemonică „Stare Instalare”, cât și din ferestrele regulatorului;

Redundanța regulatorului

– Pentru a crește fiabilitatea, sistemul oferă regulatoare redundante. Principalul este un controler software, cel de rezervă este unul hardware (SIPART DR22).

– Modificarea coeficienților controlerului hardware (coeficient de transmisie, constantă de timp de integrare și constantă de timp de diferențiere) în conformitate cu setările controlerului software se face prin apăsarea butonului „Aplica” din fereastra de setări a controlerului software;

Structura controlerului software

Structura controlerului software este prezentată în Fig.1, Fig.2.

Controlul regulatorului

– Toate cele patru regulatoare din reactor sunt controlate din ferestrele regulatorului sau din diagrama de imitație „Stare instalație”. Aspect ferestrele sunt prezentate în Fig.1., Fig.2.

– Pentru fiecare dintre cele patru regulatoare de reactor există o fereastră individuală, care are două forme: cea principală este „fereastra de control al regulatorului” și cea auxiliară este „fereastra setărilor regulatorului”. Comutarea între aceste forme se face prin apăsarea butoanelor sau în zona din dreapta sus a ferestrelor.

– Prin apăsarea butonului „RAMP” (disponibil doar pe fereastra regulatorului principal pentru frigider), se deschide fereastra de setări rampă și control (vezi Fig. 2.).

– Rampa în sine este o modificare liniară a referinței de temperatură de la valoarea „Valoarea inițială” la valoarea „Valoarea finală” în timpul „Timpului de tranziție”;

– Fereastra de configurare și control a rampei este concepută pentru a monitoriza progresul rampei și oferă, de asemenea, operatorului capacitatea de a controla rampa;

– În starea inițială, când rampa este inactivă, butonul „Stop” este apăsat, butoanele „Start” și „Pauză” sunt apăsate, butonul „Pauză” este inaccesibil, „Valoarea finală” și „Timp de tranziție” câmpurile sunt disponibile pentru introducere, câmpul „Valoare inițială” este afișată valoarea curentă a temperaturii, în câmpurile „Timp scurs” și „Timp rămas” – zero;

– Când rampa este activă, butoanele „Stop” și „Pauză” sunt eliberate, butonul „Start” este apăsat, butonul „Pauză” este disponibil, toate câmpurile nu sunt disponibile pentru introducere.

Câmpul „Valoarea inițială” afișează valoarea temperaturii de la care a început schimbarea lină a setărilor controlerului după apăsarea butonului „Start” sau pornirea sistemului de rampă.

Câmpul Valoare finală afișează valoarea de referință a controlerului care va fi setată după finalizarea rampei.

Câmpul „Timp de tranziție” afișează timpul total de rampă, câmpul „Timp scurs” afișează timpul de rampă scurs, iar câmpul „Timp rămas” afișează timpul de rampă rămas;

– După expirarea timpului „Timp de tranziție”, setarea controlerului este egală cu valoarea „Valoarea finală”, câmpurile de intrare și butoanele revin la starea inițială;

Efectuarea unei rampe de către un operator

– Sistemul are capacitatea de a efectua o rampă la comanda operatorului cu setări specificate de operator;

– Înainte de a începe rampa, operatorul introduce valorile cerute în câmpurile „Valoare finală” și „Timp de tranziție”;

– De la începutul fazei de polimerizare până la începerea primei doze suplimentare planificate de apă, operatorului în câmpul „Valoarea finală” îi este interzis să introducă o valoare mai mare decât temperatura curentă în reactor.

Dacă reactorul este în funcțiune, înainte de începerea fazei de polimerizare și din momentul începerii primei doze suplimentare programate de apă, câmpurile de introducere din setările rampei și fereastra de control nu sunt disponibile pentru intrarea operatorului, butoanele de control al rampei nu sunt disponibile pentru apăsare de către operator.

Dacă reactorul nu este în funcțiune, câmpurile de introducere din setările rampei și fereastra de control sunt disponibile pentru introducere de către operator, butoanele de control al rampei sunt disponibile pentru apăsare de către operator;

– Pentru pornirea rampei, operatorul apasă butonul „Start”, în timp ce butonul „Stop” este apăsat;

– În timpul rampei, câmpul de ieșire „Valoare inițială” afișează valoarea temperaturii de la care a început schimbarea lină a setării controlerului după apăsarea butonului „Start”;

– Dacă în timpul unei rampe trebuie să modificați parametrii acesteia (valoarea finală sau timpul de tranziție), trebuie să apăsați butonul „Pauză”. În acest caz, butonul „Start” rămâne apăsat, butonul „Stop” rămâne apăsat, iar câmpurile de introducere „Valoare finală” și „Timp de tranziție” sunt disponibile pentru introducere. Modificarea setării controlerului prin subrutina RAMP și numărarea timpului scurs în câmpul „Timp scurs” vor fi suspendate temporar;

– După ce noii parametri de rampă sunt introduși în câmpurile de intrare, operatorul apasă butonul „Pauză”, valoarea din câmpul de ieșire „Timp rămas” este recalculată automat și procesul de schimbare fără probleme a sarcinii cu noi parametri și numărătoarea inversă a timpul de rampă din câmpul „Timp scurs” este reluat;

– Noua valoare din câmpul „Timp rămas” se calculează astfel: . Dacă rampa înainte de apăsarea butonului „Pauză” a durat mai mult decât a fost introdus în câmpul „Timp de tranziție” în timpul pauzei, atunci timpul rămas este acceptat egal cu zero, referința controlerului este setată egală cu valoarea din câmpul „Valoare finală”;

– În două cazuri: prin apăsarea butonului „Start” și prin apăsarea butonului „Pauză”, sarcina pentru regulatorul principal din jachetă este setată cu un grad mai puțin decât „Valoarea finală” a rampei;

Funcționarea regulatorilor

– Toate cele patru regulatoare de reactoare au două moduri de funcționare: manual și automat. În modul manual, feedback-ul este deschis, algoritmul PID nu funcționează, operatorul și sistemul au capacitatea de a schimba acțiunea de control asupra supapei. În modul automat, feedback-ul este închis, algoritmul PID funcționează, operatorul și sistemul au capacitatea de a modifica temperatura țintă;

– Cele patru regulatoare reactoare sunt combinate în două circuite de control în cascadă, fiecare dintre ele având un regulator master și un regulator slave. Cascada este considerată închisă dacă controlerele slave și master sunt în modul automat;

– Controlerul principal nu poate fi în modul de control automat dacă slave este în modul manual. Dacă operatorul sau sistemul comută controlerul slave în modul manual, masterul va trece și el în modul manual și cascada se deschide. Dacă operatorul sau sistemul comută controlerul slave în modul automat, modul master nu se schimbă (rămâne în manual), cascada rămâne deschisă. Controlerul principal poate fi comutat în modul automat numai dacă slave este în modul automat;

– Când regulatorul principal este pornit în modul automat, închiderea fără șocuri a cascadei este asigurată prin presetarea acțiunii de control a regulatorului principal egal cu sarcina regulatorului slave.

Controlul în cascadă este controlul în care două sau mai multe bucle de control sunt conectate astfel încât ieșirea unui controler ajustează valoarea de referință a celuilalt controler.

Figura de mai sus este o diagramă bloc care ilustrează conceptul de control în cascadă. Blocurile din diagramă reprezintă de fapt componentele a două bucle de control: bucla master, care este formată din elementele de control A, E, F și G, și bucla slave, care este formată din elementele de control A, B C, și D. Ieșirea controlerului de buclă principală este referința (punctul de referință) pentru controlerul de buclă de control slave. Controlerul de circuit slave produce un semnal de control pentru actuator.

Pentru procesele care au caracteristici de întârziere semnificative (capacitanță sau rezistență care încetinește schimbările într-o variabilă), bucla de control slave a unui sistem în cascadă poate detecta mai devreme nepotrivirea în proces și, prin urmare, poate reduce timpul necesar pentru a elimina nepotrivirea. Putem spune că bucla de control slave „împarte” întârzierea și reduce impactul perturbării asupra procesului.

Într-un sistem de control în cascadă, se utilizează mai mult de un element de detectare primar, iar controlerul (în bucla de control slave) primește mai mult de un semnal de intrare. Prin urmare, un sistem de control în cascadă este un sistem de control cu ​​mai multe bucle.

Exemplu de sistem de control în cascadă

În exemplul de mai sus, bucla de control va fi în cele din urmă bucla principală atunci când se construiește un sistem de control în cascadă. Circuitul slave va fi adăugat ulterior. Scopul acestui proces este de a încălzi apa care trece prin interiorul schimbătorului de căldură, curgând în jurul țevilor prin care trece aburul. Una dintre caracteristicile procesului este că corpul schimbătorului de căldură are un volum mare și conține multă apă. O cantitate mare de apă are o capacitate care îi permite să fie depozitată număr mare căldură. Aceasta înseamnă că dacă temperatura apei care intră în schimbătorul de căldură se modifică, aceste modificări se vor reflecta la ieșirea din schimbătorul de căldură cu o întârziere mare. Motivul întârzierii este capacitatea mare. O altă caracteristică a acestui proces este că țevile de abur rezistă transferului de căldură de la aburul din interiorul țevilor către apa din afara țevilor. Aceasta înseamnă că va exista un decalaj între modificările fluxului de abur și modificările corespunzătoare ale temperaturii apei. Motivul acestei întârzieri este rezistența.

Elementul principal din această buclă de control controlează temperatura apei care iese din schimbătorul de căldură. Dacă temperatura apei la ieșire s-a modificat, modificarea fizică corespunzătoare a elementului primar este măsurată de un traductor, care convertește valoarea temperaturii într-un semnal trimis către controler. Controlerul măsoară semnalul, îl compară cu punctul de referință, calculează diferența și apoi produce un semnal de ieșire care controlează supapa de control pe linia de abur, care este elementul final al buclei de control (regulator). Supapa de control a aburului fie crește, fie scade debitul de abur, permițând temperaturii apei să revină la punctul de referință. Cu toate acestea, datorită caracteristicilor de întârziere ale procesului, schimbarea temperaturii apei va fi lentă și va dura mult timp până când bucla de control poate citi cât de mult s-a schimbat temperatura apei. Până atunci, este posibil să fi avut loc schimbări prea mari ale temperaturii apei. Ca urmare, bucla de control va genera o acțiune de control excesiv de puternică, care poate duce la o abatere în direcția opusă (depășire) și din nou va „așteapta” rezultatul. Datorită unui răspuns lent ca acesta, temperatura apei poate să urce și să scadă o perioadă lungă de timp înainte de a reveni la punctul de referință.

Răspunsul tranzitoriu al sistemului de control este îmbunătățit atunci când sistemul este suplimentat cu o a doua buclă de control în cascadă, așa cum se arată în figura de mai sus. Bucla adăugată este o buclă slave de control în cascadă.

Acum, când debitul de abur se modifică, aceste modificări vor fi detectate de elementul de detectare a debitului (B) și măsurate de transmițătorul (C), care trimite un semnal către controlerul slave (D). În același timp, senzorul de temperatură (E) din bucla de control principal detectează orice modificare a temperaturii apei care iese din schimbătorul de căldură. Aceste modificări sunt măsurate de un traductor de măsurare (F), care trimite un semnal către controlerul principal (G). Acest controler îndeplinește funcțiile de măsurare, comparare, calcul și produce un semnal de ieșire care este trimis către controlerul slave (D). Acest semnal corectează valoarea de referință a controlerului slave. Controlerul slave compară apoi semnalul pe care îl primește de la senzorul de debit (C) cu noul punct de referință, calculează diferența și generează un semnal de corecție care este trimis la supapa de control (A) pentru a regla debitul de abur.

Într-un sistem de control cu ​​adăugarea unei bucle de control slave la bucla principală, orice modificare a fluxului de abur este imediat detectată de bucla suplimentară. Ajustările necesare se fac aproape imediat, înainte ca perturbările din fluxul de abur să afecteze temperatura apei. Dacă există modificări ale temperaturii apei care părăsesc schimbătorul de căldură, elementul senzorial percepe aceste modificări, iar bucla de control principală reglează valoarea de referință a controlerului în bucla de control slave. Cu alte cuvinte, setează un punct de referință sau „schimbă” regulatorul în bucla de control slave, astfel încât să ajusteze debitul de abur pentru a atinge temperatura dorită a apei. Cu toate acestea, acest răspuns al controlerului slave buclei la modificările debitului de abur reduce timpul necesar pentru a compensa perturbările din fluxul de abur.

Sistemele în cascadă sunt utilizate pentru automatizarea obiectelor care au o inerție mare de-a lungul canalului de control, dacă este posibil să se selecteze o coordonată intermediară mai puțin inerțială în raport cu perturbațiile cele mai periculoase și să se folosească pentru aceasta aceeași acțiune de reglare ca pentru ieșirea principală. a obiectului.

În acest caz, sistemul de control (Fig. 19) include două regulatoare - regulatorul principal (extern) R, care servește la stabilizarea ieșirii principale a obiectului y,și regulator auxiliar (intern). R 1, conceput pentru a regla coordonatele auxiliare la 1 .Tinta pentru controlerul auxiliar este semnalul de iesire al controlerului principal.

Alegerea legilor de reglementare este determinată de scopul autorităților de reglementare:

Pentru a menține coordonatele de ieșire principală la o valoare dată fără o eroare statică, legea de control a controlerului principal trebuie să includă o componentă integrală;

Regulatorul auxiliar este obligat să răspundă rapid, deci poate avea orice lege de reglementare.

O comparație a ASR-urilor cu un singur circuit și în cascadă arată că, datorită vitezei mai mari a buclei interne într-un ASR în cascadă, calitatea procesului tranzitoriu crește, în special atunci când se compensează perturbațiile care vin prin canalul de control. Dacă, în funcție de condițiile procesului, se impune o limitare variabilei auxiliare (de exemplu, temperatura nu trebuie să depășească valoarea maximă admisă sau raportul debitului trebuie să fie în anumite limite), atunci se impune și o limitare asupra semnalul de ieșire al controlerului principal, care este o sarcină pentru controlerul auxiliar. Pentru a face acest lucru, între regulatoare este instalat un dispozitiv cu caracteristicile unei secțiuni de amplificator cu saturație.

Orez. 19. Schema bloc a sistemului de control automat în cascadă:

W, W 1 – canale principale și auxiliare la 1 cantități controlate ale obiectului; R, R 1 – regulatoare principale și auxiliare; х Р, х Р1 – influențele reglatoare ale regulatorilor RŞi R 1; ε, ε 1 – mărimea discrepanțelor dintre valorile curente și valorile stabilite ale mărimilor controlate laŞi la 1 ; la 0 – sarcină către regulatorul principal R

Exemple de sisteme de control automate în cascadă ale instalațiilor de tehnologie termică. În fig. Figura 20 prezintă un exemplu de sistem în cascadă pentru stabilizarea temperaturii lichidului la ieșirea din schimbătorul de căldură, în care circuitul auxiliar este fluxul de abur de încălzire ASR. Când există o perturbare a presiunii aburului, regulatorul 1 modifică gradul de deschidere al supapei de control astfel încât să mențină debitul specificat. Dacă echilibrul termic din aparat este perturbat (cauzat, de exemplu, de o modificare a temperaturii de intrare sau a debitului lichidului, entalpia aburului, pierderea de căldură în mediu), conducând la o abatere a temperaturii de ieșire de la valoarea setată, regulatorul de temperatură 2 ajustează setarea la regulatorul de debit de abur 1.

În procesele tehnologice termice, adesea coordonatele principale și auxiliare au aceeași natură fizică și caracterizează valorile aceluiași parametru tehnologic în diferite puncte ale sistemului (Fig. 21).

Fig.20. Sistem în cascadă reglarea temperaturii (articolul 2) cu corectarea sarcinii la regulatorul debitului de abur (articolul 1)

Orez. 21. Schema bloc a unui ASR în cascadă cu măsurarea unei coordonate auxiliare într-un punct intermediar

În fig. 22 prezintă un fragment schema tehnologica, incluzând un încălzitor de amestec de reacţie 2 şi un reactor 1, şi un sistem de stabilizare a temperaturii în reactor.

Efectul de control asupra fluxului de abur este furnizat la intrarea schimbătorului de căldură. Canalul de control, care include două dispozitive și conducte, este un sistem dinamic complex cu inerție mare. Instalația este afectată de o serie de perturbări care sosesc în diferite puncte ale sistemului: presiunea și entalpia aburului, temperatura și debitul amestecului de reacție, pierderea de căldură în reactor etc. Pentru a crește viteza sistemului de control, cascadă ACS se folosește, în care variabila principală controlată este temperatura din reactor, iar temperatura amestecului dintre schimbătorul de căldură și reactor a fost aleasă ca auxiliară.

Orez. 22. Sistem de control al temperaturii în cascadă (articolul 4) în reactor (articolul 1) cu corectarea setării regulatorului de temperatură (articolul 3) la ieșirea schimbătorului de căldură (articolul 2)

Calculul ASR în cascadă. Calculul ASR în cascadă implică determinarea setărilor regulatoarelor principale și auxiliare pentru caracteristicile dinamice date ale obiectului de-a lungul canalelor principale și auxiliare. Deoarece setările regulatoarelor principale și auxiliare sunt interdependente, acestea sunt calculate folosind metoda iterației.

La fiecare pas de iterație, se calculează un ASR cu o singură buclă redus, în care unul dintre controlere se referă condiționat la un obiect echivalent. După cum se poate observa din diagramele bloc din fig. 23, obiectul echivalent pentru regulatorul principal (Fig. 23, a) este o conexiune în serie a unui circuit auxiliar închis și a canalului principal de comandă; funcția sa de transfer este egală cu

(93)

Orez. 23. Diagrame structurale sistem de comandă echivalent cu un singur circuit cu regulatorul principal (a) și auxiliar (b): mai sus - circuit echivalent cu un singur circuit; mai jos – conversia ACP în cascadă într-un singur circuit

Obiectul echivalent pentru controlerul auxiliar 2 (Fig. 23) este o conexiune paralelă a canalului auxiliar și sistemul principal în buclă deschisă. Funcția sa de transfer are forma:

(p)=W 1 (p) – W(p)R(p).(94)

Calculul începe cu regulatorul principal. Metoda este utilizată în cazurile în care inerția canalului auxiliar este mult mai mică decât cea a celui principal. La prima etapă, se presupune că frecvența de funcționare a circuitului principal ( ω p) mult mai puțin decât auxiliarul ( ω p1) și la ω=ω р

. (95)

. (96)

Astfel, ca prima aproximare, setarile S 0 regulatorul principal 1 nu depinde de R1(p) si sunt situate de W e °(p).

La al doilea pas, setările controlerului auxiliar sunt calculate pentru obiectul echivalent (1) cu funcția de transfer W 1 e (p),în care se substituie R(p, S°).

ACP combinat

Sistemele de control automate combinate sunt utilizate pentru automatizarea obiectelor supuse unor perturbări controlate semnificative. Sistemele se numesc combinate deoarece în construcția lor se folosesc două principii de reglare: „prin abatere” (principiul lui Polzunov) și „prin perturbare” (principiul lui Poncelet). Sistemele construite conform principiului Polzunov au feedback negativ și funcționează într-un ciclu închis. Sisteme de perturbare (Poncelet) feedback nu au și funcționează într-un ciclu deschis.

Există două moduri de a construi sisteme de control automate combinate cu diagramele bloc prezentate în Fig. 24 și 25. După cum se poate observa din aceste diagrame bloc, ambele sisteme au caracteristici comune: prezența a două canale de influență asupra coordonatei de ieșire a obiectului și utilizarea a două bucle de control - închise (prin regulatorul 1). ) și deschis (prin compensatorul 2 ). Singura diferență este că, în al doilea caz, impulsul corector de la compensator este furnizat nu la intrarea obiectului, ci la intrarea regulatorului.

Orez. 24. Scheme bloc ale unui ASR combinat la conectarea ieșirii unui compensator la intrarea unui obiect: a – diagramă originală; b – diagramă convertită; 1 – regulator; 2 – compensator

Orez. 25. Scheme bloc ale unui ASR combinat la conectarea ieșirii compensatorului la intrarea regulatorului: a – circuit original; b – diagramă convertită; 1 – regulator; 2 – compensator

Introducerea unui impuls corectiv bazat pe cea mai puternică perturbare poate reduce semnificativ eroarea de control dinamic, prevăzută alegerea corectăși calculul dispozitivului dinamic care formează legea schimbării acestei influențe.

Baza pentru calcularea unor astfel de sisteme este principiul invarianței: abaterea coordonatei de ieșire a sistemului de la valoarea specificată trebuie să fie identic egală cu zero sub orice influență de conducere sau perturbatoare.

Pentru a îndeplini principiul invarianței, sunt necesare două condiții: compensarea ideală a tuturor influențelor perturbatoare și reproducerea ideală a semnalului sarcinii. Este evident că atingerea invarianței absolute în sistemele reale de control este practic imposibilă. De obicei, ele sunt limitate la invarianța parțială față de cele mai periculoase perturbări. Să luăm în considerare condiția de invarianță a sistemelor de control în buclă deschisă și combinate în raport cu o influență perturbatoare.

Condiție de invarianță pentru ASR în buclă deschisă și combinată. Să luăm în considerare condiția de invarianță a unui sistem în buclă deschisă (Fig. 26): y(t)= 0.

Orez. 26. Schema bloc a unui sistem de control automat în buclă deschisă

Trecem la imaginile Laplace X B (r)Şi Y(p) semnale x V (t)Şi y(t), Să rescriem această condiție ținând cont de funcțiile de transfer ale obiectului de-a lungul canalelor de perturbare WB(p) si reglementare W Р (p)și compensator RK(p):

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

În prezența tulburărilor[ ] condiția de invarianță (97) este îndeplinită dacă

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

R k () = -W В ()/W Р ().(99)

Astfel, pentru a asigura invarianța sistemului de control față de orice perturbare, este necesar să se instaleze un compensator dinamic, a cărui funcție de transfer este egală cu raportul funcțiilor de transfer ale obiectului de-a lungul canalelor de perturbare și control, luate. cu semnul opus.

Să derivăm condiții de invarianță pentru ASR combinate. Pentru cazul în care semnalul de la compensator este aplicat la intrarea obiectului (vezi Fig. 24, a), diagrama bloc a ASR combinat este convertită într-o conexiune în serie a unui sistem cu buclă deschisă și o buclă închisă ( vezi Fig. 24, b), ale căror funcții de transfer sunt, respectiv, egale:

.

În acest caz, condiția de invarianță (97) se scrie astfel:

Dacă X B (p) 0 și W ZS(p), trebuie îndeplinită următoarea condiție:

aceste. condiție de invarianță.

Când se utilizează un sistem de control combinat (vezi Fig. 25, a), derivarea condițiilor de invarianță duce la relații ( vezi Fig. 25, b):

(101)

Dacă XB(p)0Şi W ZS (r) , atunci trebuie îndeplinită următoarea condiție:

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

Astfel, la conectarea ieșirii compensatorului la intrarea controlerului, funcția de transfer a compensatorului, obținută din condiția de invarianță, va depinde nu numai de caracteristicile obiectului, ci și ale controlerului.

Condiții de realizare fizică a ASR invariante. Una dintre principalele probleme care apar la construirea sistemelor de control invariante este realizabilitatea lor fizică, adică fezabilitatea unui compensator care îndeplinește condițiile (99) sau (103).

Spre deosebire de regulatoarele industriale convenționale, a căror structură este dată și este necesar doar să se calculeze setările lor, structura unui compensator dinamic este complet determinată de raportul dintre caracteristicile dinamice ale obiectului de-a lungul canalelor de perturbare și control și poate rezulta să fie foarte complex, iar dacă raportul dintre aceste caracteristici este nefavorabil, fizic imposibil.

Compensatorii „ideali” sunt irealizabili fizic în două cazuri:

Dacă timpul net de întârziere de-a lungul canalului de control este mai mare decât prin canalul de perturbare. În acest caz, compensatorul ideal ar trebui să conțină o legătură principală, deoarece dacă:

(104)

, (105)

apoi luând în considerare (99):

(106)

Dacă în funcția de transfer compensator gradul polinomului din numărător este mai mare decât gradul polinomului din numitor. În acest caz, compensatorul trebuie să conțină legături de diferențiere ideale. Acest rezultat este obținut pentru un anumit raport al ordinelor ecuațiilor diferențiale care descriu canalele de perturbare și de control. Lasă

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

Unde B în (P), A B (p), V P (p), A P (p)- polinoame de grade t V, n B, m PŞi n pîn consecinţă.

m K = m B + n p ; n k = n în + m r.

Astfel, condiția pentru realizarea fizică a unui ASR invariant este ca următoarele relații să fie îndeplinite:

τ în ≥ τ р și m B + n p ≤ n în + m р.(108)

Exemplu. Să luăm în considerare un sistem de control al temperaturii într-un reactor chimic cu un dispozitiv de agitare în care are loc o reacție exotermă (Fig. 27).

Orez. 27. Diagrama schematică reactor chimic cu dispozitiv de amestecare: 1 – contor de temperatură; 2 – supapă de control; 3 – debitmetru

Fie canalul principal de perturbare - „debitul amestecului de reacție - temperatura în reactor” - să fie aproximat prin două legături aperiodice de ordinul întâi, iar canalul de control - „debitul lichidului de răcire - temperatura în reactor" - prin trei legături aperiodice de ordinul întâi:

, (109)

, (110)

Unde T 1 , T 2 , T 3 – cele mai mari constante de timp ale rezervoarelor termice principale ale reactorului, termometrului și manta de răcire.

Pentru a construi un sistem de control invariant compatibil cu expresia (99), este necesar să se introducă un compensator cu funcție de transfer:

, (111)

care este fizic irealizabil, deoarece în acest caz condiția este încălcată și compensatorul trebuie să conțină o legătură ideală de diferențiere.

Exercita

În conformitate cu exemplul, dezvoltați un sistem de control pentru o instalație de rectificare. Calcula , .

Datele inițiale.

1. Schema unității de distilare (Fig. 28). Instalația constă dintr-o coloană de distilare LA, schimbator de caldura pentru incalzirea amestecului initial T-1, cazan T-2, condensator T-3 si rezervor de reflux E.

Coloana separă amestecul binar. Punctele de fierbere ale componentelor separate diferă semnificativ, drept urmare coloana are un număr mic de plăci și o înălțime mică. Întârzierile și inerția de-a lungul canalelor de transmitere a influențelor perturbatoare și de control sunt relativ mici. Există conexiuni interioare puternice între principalele cantități controlate (reglementate) ale procesului - compozițiile (temperaturile) distilatului și produsul de bază.

În fluxul de abur care vine de sus coloană de distilare, conține componente care nu se condensează în gaze inerte în condițiile de funcționare ale schimbătorului de căldură T-3. Acestea sunt evacuate din rezervorul de irigare pentru suflare (în rețeaua de combustibil).

Modul de funcționare al instalației este supus unor perturbări mari și frecvente: în ceea ce privește debitul Fși compoziție XF materii prime; prin presiunea (debitul) agentului de încălzire furnizat la schimbător de căldură T-Iși cazanul T-2; conform presiunii (debitului) agentului frigorific alimentat condensatorului T-3.

Controalele „cheie” ale procesului de rectificare sunt organismele de reglementare de pe linia de alimentare cu reflux către coloană LAși linii de alimentare cu agent de încălzire la cazanul T-2.

Orez. 28. Schema unei instalatii de rectificare

2. Parametrii dinamici ai obiectului sunt setati: (constante de timp T; întârzieri τ; coeficient de transmisie LA v) prin canale:

O. „schimbarea poziției regulatorului P01 – consum de materie primă F» ( X R 1 F);

b. „schimbarea poziției regulatorului P02 – consum de agent termic F 1" ( X R 2 F 1 );

b*. „schimbarea poziției regulatorului P02 - temperatura materiei prime θ F după T-1" ( X R 2 θ F);

V. „schimbarea poziției organismului de reglementare P03 - compoziția distilatului X D» ( X R 3 X D);

d. „schimbarea poziției regulatorului P04 - presiune Rîn coloană" ( X R 4 P);

d. „schimbarea poziției regulatorului P05 - nivel în cubul coloanei” ( X R 5 L);

e. „schimbarea poziției organismului de reglementare P02 * - temperatura materiei prime θ F după T-1" ( X R 2* θ F);

şi. „schimbarea poziției organismului de reglementare P04 * - presiune Pîn coloană" ( X R 4* P);

h. „schimbarea poziției regulatorului P06 - temperatura în partea de jos a coloanei” ( X R 6 θ LA);

z*. „schimbarea poziției corpului de reglare PO6 - temperatura θ B în vârful coloanei” ( X R 6 θ B);

Şi. „schimbarea poziției corpului de reglare ROZ - temperatura θ Bîn vârful coloanei" (X P3 θ B);

Și * . „schimbarea poziției organului de reglementare ROZ - temperaturaθ LA partea de jos a coloanei" ( X R 3 θ LA).

3. Se precizează mărimile perturbațiilor care acționează asupra obiectului, exprimate în % din cursa organismului de reglementare:

a) canalul X R 1 F(pe baza consumului de materii prime F);

b) canale X R 2 F 1 , X Р2 θ F(prin presiunea agentului de încălzire P 1 și conținutul său de căldură q 1);

c) canalul X R 3 XD(după compoziția materiilor prime XF);

d) canalul X P4 P(prin presiune R 2 agent frigorific furnizat condensatorului T-3);

d) canal X R 5 L(după conținutul de căldură q 2 agent termic furnizat cazanului T-2).

4. Sunt specificate cerințe pentru calitatea procesului de reglementare (eroare dinamică X max, timp de reglementare t P, gradul de atenuare al proceselor tranzitorii ψ , eroare de control static X cm).

Datele inițiale pentru elementul 2 al sarcinii (articolele a - d), itemul 3 și itemul 4 sunt date în tabel. 9, a pentru punctele 2 (f, g, h, i) - din tabel. 10 date inițiale.

Tabelul 9. Parametrii dinamici ai obiectului și cerințele de calitate pentru procesul de reglementare

Tabelul 10. Parametrii dinamici ai obiectului și cerințele de calitate pentru procesul de reglementare

Întrebări de securitate

1. Sisteme de control automate în cascadă în scheme de control al proceselor. Principii de construcție și funcționare a acestora. Exemple de sisteme de control automatizate în cascadă în industrie și energie.

2. Sisteme de control automate combinate în scheme de control al proceselor. Principii de construcție și funcționare. Condiții de fezabilitate fizică. Exemple de sisteme de control automate combinate în industrie și energie.

PRACTICUM Nr. 8 (2 ore)

Probleme abordate în prelegere:

1. Ce este un obiect echivalent într-un ACS în cascadă.

2. Explicarea eficacității sistemelor de control automate în cascadă.

3. Metode de calcul a ASR-urilor în cascadă.

4. Calculul ASR cu impuls suplimentar pe baza derivatei.

Sistemele de control în cascadă sunt acele sisteme în care semnalul de ieșire al unuia dintre controlere este trimis ca sarcină celuilalt. Parametrii principali și auxiliari ai obiectului sunt furnizați respectiv sub formă de semnale de intrare acestor controlere. În acest caz, doar regulatorul principal are o setare independentă. Semnalul de ieșire al controlerului auxiliar este furnizat ca influență de reglementare asupra obiectului. De obicei, o buclă de control închisă auxiliară, formată din partea de mare viteză a obiectului și regulatorul auxiliar, este situată în interiorul buclei de control principală. Figura 1.8.1 prezintă o diagramă a sistemului de control în cascadă. Sistemele de control în cascadă asigură:

1) compensarea rapidă a perturbărilor care afectează bucla auxiliară de control, drept urmare aceste perturbații nu provoacă o abatere a parametrului principal de la valoarea setată;

1 – regulator principal; 2 – regulator auxiliar; 3, 4 – părți rapide ale obiectului și cu acțiune lentă

Figura 1 - Schema de control în cascadă

2) o reducere semnificativă a defazajului în partea de mare viteză a obiectului datorită formării unei bucle de control auxiliare, care crește performanța buclei principale;

3) compensarea modificărilor coeficientului de transmisie al părții de mare viteză a obiectului prin modificarea coeficientului de transmisie al buclei de control auxiliare;

4) aprovizionarea necesară cu materie sau energie a obiectului

Astfel, se recomandă utilizarea sistemelor de control în cascadă în cazurile în care este necesară menținerea parametrului controlat la o valoare dată cu un grad ridicat de precizie, precum și atunci când există o întârziere foarte mare a obiectului. Bucla de control auxiliară poate fi, de exemplu, închisă în jurul elementului de integrare al obiectului pentru a-și depăși propria întârziere. Debitul poate fi utilizat ca variabilă auxiliară, deoarece datorită vitezei buclei de control a acestui parametru, sunt prevenite abaterile semnificative ale variabilei principale controlate.

Pentru a crea un sistem de control în cascadă, este necesar să se identifice mai întâi o variabilă intermediară acceptabilă, care în unele cazuri este destul de dificilă.

Sistemele de control al fluxului în cascadă sunt utilizate pentru a furniza continuu o substanță în sau din obiect. De obicei, controlul debitului se realizează prin schimbarea presiunii aerului furnizat supapei cu o caracteristică neliniară. Dacă, în acest caz, măsurarea valorii curente a parametrului se realizează folosind metoda diferențială de presiune variabilă (în care semnalul de ieșire al senzorului depinde neliniar de debitul), atunci ambele neliniarități se compensează reciproc.

Utilizarea metodei diferențelor de presiune variabilă în circuitul auxiliar pentru a controla procesele de schimb de căldură sau de amestecare poate duce la dificultăți suplimentare. Să presupunem că parametrul controlat al obiectului este liniar în raport cu debitul. Semnalul de ieșire al regulatorului principal este proporțional cu căderea de presiune, care variază direct cu pătratul debitului. În consecință, câștigul buclei va varia invers cu debitul. Cu toate acestea, multe procese trebuie reglementate la momentul pornirii; În plus, este adesea necesar să se mențină debite scăzute într-o instalație pentru o perioadă lungă de timp, ceea ce este destul de dificil. Dacă regulatorul principal nu este comutat pe control manual, atunci vor apărea oscilații neamortizate în bucla de control în apropierea debitului zero. Pentru a preveni acest lucru, este recomandabil să includeți un dispozitiv pentru extragerea rădăcinilor pătrate în linia de măsurare a debitului pentru a linealiza circuitul auxiliar.

Perioada de oscilație a buclei de control al debitului este de obicei de câteva secunde. Prin urmare, debitul nu este utilizat ca parametru principal în schemele în cascadă atunci când se reglează procesele de transfer de căldură sau amestecare.

La reglarea nivelului lichidelor de fierbere sau vaporilor de condensare se folosesc sisteme de control în cascadă cu corectare a debitului. În astfel de sisteme, perioada de oscilații naturale a circuitului principal este mai mare decât perioada de oscilație a circuitului de control al debitului.

Sistemele de control al temperaturii în cascadă sunt utilizate destul de larg. La conducere reactii chimice Pentru a obține un control de înaltă calitate, semnalul de ieșire al regulatorului de temperatură al reactorului este de obicei trimis către camera de reglare a controlerului de temperatură a lichidului de răcire, adică se utilizează un circuit de control în cascadă a temperaturii lichidului de răcire pe baza temperaturii reactorului. Intensitatea schimbului de căldură depinde de diferența de temperatură dintre substanțele care reacţionează și lichidul de răcire, prin urmare valoarea curentă a temperaturii lichidului de răcire afectează procesul.

Funcționarea sistemului de control este afectată de neliniaritățile și defazajul buclei de control auxiliare. Deoarece într-un astfel de sistem intervalul proporțional al regulatorului auxiliar de temperatură de obicei nu depășește 25%, efectul componentei astatice a acestui regulator poate fi neglijat.

O ușoară depășire a temperaturii agentului frigorific nu are un impact mare asupra funcționării sistemului, deoarece componenta astatică acționează întotdeauna în circuitul principal. Prezența unei componente astatice în circuitul auxiliar ar reduce doar puțin rata de schimbare a temperaturii. La reglarea temperaturii lichidului de răcire într-un reactor discontinuu, componenta astatică nu este utilizată. De obicei, la proiectarea sistemelor de control în cascadă, sarcina principală este de a determina raportul perioadelor naturale de oscilație ale buclelor de control al temperaturii principale și auxiliare. Dacă se folosește aceeași metodă de măsurare în ambele circuite, atunci relația dintre perioadele naturale de oscilație ale circuitelor este liniară și, prin urmare, coeficientul de transmisie al circuitului principal va fi constant.

Calculul ASR în cascadă implică determinarea setărilor regulatoarelor principale și auxiliare pentru caracteristicile dinamice date ale obiectului de-a lungul canalelor principale și auxiliare. Deoarece setările regulatoarelor principale și auxiliare sunt interdependente, acestea sunt calculate folosind metoda iterației.

La fiecare pas de iterație, se calculează un ASR cu o singură buclă redus, în care unul dintre controlere se referă condiționat la un obiect echivalent.

Obiectul echivalent pentru regulatorul principal este o conexiune în serie a unei bucle auxiliare închise și a unui canal de control principal.

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

unde R 1 (p) este funcția de transfer a controlerului auxiliar,

W(p) = W 1 (p) * W 2 (p) – funcția de transfer a obiectului

Obiectul echivalent pentru un controler auxiliar este o conexiune paralelă a canalului auxiliar și sistemul principal în buclă deschisă.

W E 1 (p) = W 1 (p) – W(p)*R (p), (2)

unde R (p) este funcția de transfer a controlerului principal

În funcție de primul pas de iterație, se disting două metode pentru calcularea ACP-urilor în cascadă.

1a metoda. Calculul începe cu regulatorul principal. Metoda este utilizată în cazurile în care inerția canalului auxiliar este mult mai mică decât cea a celui principal. La prima etapă, se presupune că frecvența de funcționare a circuitului principal este mult mai mică decât a circuitului auxiliar. Și apoi:

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

În a doua etapă, se calculează setările controlerului auxiliar pentru obiectul echivalent.

În cazul calculelor aproximative, primii doi pași sunt limitati. Pentru calcule precise, acestea sunt continuate până când setările controlerului găsite în două iterații succesive coincid cu precizia specificată.

a 2-a metoda. Calculul începe cu regulatorul auxiliar. Primul pas presupune că regulatorul extern este dezactivat. Astfel, la o primă aproximare, setările regulatorului auxiliar se găsesc folosind un ACP cu un singur circuit pentru canalul de control auxiliar din expresia:

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

La al doilea pas, setările controlerului principal sunt calculate folosind funcția de transfer a obiectului echivalent. Pentru a clarifica setările controlerului auxiliar, calculul se efectuează folosind funcția de transfer. Calculele sunt efectuate până când setările controlerului auxiliar, găsite în două iterații succesive, coincid cu precizia specificată.

ASR cu impuls suplimentar bazat pe derivata dintr-un punct intermediar .

Astfel de sisteme sunt de obicei utilizate la automatizarea obiectelor în care un parametru tehnologic controlat (de exemplu, temperatura sau compoziția) este distribuit de-a lungul unei coordonate spațiale (ca în dispozitivele de tip coloană sau tubulară). Particularitatea unor astfel de obiecte este că principala coordonată controlată este parametrul tehnologic la ieșirea aparatului, perturbațiile sunt distribuite de-a lungul lungimii aparatului, iar efectul de reglementare este aplicat intrării acestuia. În același timp, sistemele de control automat în buclă închisă cu un singur circuit nu oferă calitatea necesară proceselor tranzitorii din cauza inerției mari a canalului de control.

Aplicarea unui impuls suplimentar la intrarea controlerului dintr-un punct intermediar al dispozitivului dă un semnal de conducere, iar controlerul începe să funcționeze înainte ca coordonatele de ieșire să devieze de la valoarea setată.

Pentru a asigura reglarea fără eroare statică, este necesar ca pulsul suplimentar să dispară în starea de echilibru. În acest scop, coordonata auxiliară este trecută prin legătura reală de diferențiere, astfel încât semnalul de intrare al controlerului să fie egal cu e=y+y’ 1 –y 0 (Figura 1.9.1a). În stare staționară, când y’ 1 =0, când e=0, y=y 0.

a – schema originală; b – convertit într-un circuit ASR în cascadă

Figura 2 - Diagrame bloc ale ASR cu un impuls suplimentar bazat pe derivata dintr-un punct intermediar

Eficacitatea introducerii unui impuls suplimentar depinde de punctul de selecție a acestuia. Alegerea acestuia din urmă este determinată în fiecare caz specific de proprietățile dinamice ale obiectului și de condițiile de funcționare ale acestuia. Astfel, măsurarea y 1 la începutul aparatului este echivalentă cu un impuls suplimentar datorat perturbării care ajunge prin canalul de control. În acest caz, dispozitivul de diferențiere joacă rolul unui compensator dinamic de perturbare. Măsurarea y 1 la ieșirea obiectului (y 1 =y) este echivalentă cu introducerea unei derivate a coordonatei principale. Pentru fiecare obiect, puteți alege locația optimă pentru selectarea unui impuls suplimentar, la care calitatea reglementării este cea mai bună.

Calculul unor astfel de sisteme de control este similar cu calculul ASR-urilor în cascadă după transformări corespunzătoare. În cascada ASR prezentată în Figura 2 b, rolul regulatorului extern este jucat de legătura cu funcția de transfer R d -1 (p), iar cel intern este jucat de regulatorul și diferențiatorul conectat în serie, astfel încât funcţiile de transfer pentru regulatoarele date sunt, respectiv, egale.