Главная >> Программы

Pages: |

| 2 |

«220700 Автоматизация технологических Направление подготовки процессов и производств Автоматизация технологических процессов Профиль подготовки и производств в нефтяной и газовой промышленности бакалавр Квалификация ...»

-- [ Страница 1 ] --

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

(рабочая учебная программа дисциплины)

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ»

220700 «Автоматизация технологических

Направление подготовки

процессов и производств»

Автоматизация технологических процессов

Профиль подготовки и производств в нефтяной и газовой промышленности бакалавр Квалификация (степень) очная Форма обучения к.т.н., доцент кафедры автоматизации Составитель программы:

производственных процессов Ершов П.Р.

Иркутск 2013г.

1. Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине 1.1. Вид деятельности выпускника Дисциплина охватывает круг вопросов относящиеся к виду деятельности выпускника:

– проектно-конструкторская;

– организационно управленческая;

– научно-исследовательская;

–специальный вид деятельности.

1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника Бакалавр должен решать следующие профессиональные задачи:

в области проектно-конструкторской деятельности:

– проектирование архитектуры аппаратно-программных комплексов автоматических и автоматизированных систем контроля и управления общепромышленного и специального назначений в различных областях национального хозяйства;

– выбор средств автоматизации процессов и производств, аппаратнопрограммных средств для автоматических и автоматизированных систем контроля, диагностики, испытаний и управления;

– разработка (на основе действующих стандартов) технической документации для регламентного эксплуатационного обслуживания средств и систем автоматизации и управления в электронном виде;

в области научно-исследовательской деятельности:

– изучение научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по направлению исследований в области автоматизации технологических процессов и производств, автоматизированного управления жизненным циклом продукции, компьютерных систем управления ее качеством;

– участие в разработке алгоритмического и программного обеспечения средств и систем автоматизации и управления;

в области специальных видов деятельности:

– организация повышения квалификации сотрудников подразделений в области автоматизации технологических процессов и производств, автоматизированного управления жизненным циклом продукции и ее качеством.

1.3. Перечень компетенций, установленных ФГОС Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у обучающегося следующие профессиональные компетенции:

в области проектно-конструкторской деятельности:

– способность проводить диагностику состояния и динамики производственных объектов производств с использованием необходимых методов и средств анализа (ПК 16);

– способность участвовать в разработке математических и физических моделей процессов и производственных объектов (ПК 17);

в области организационно-управленческой деятельности:

– способность выполнять работу по организации управления информационными потоками на всех этапах жизненного цикла продукции, ее интегрированной логистической поддержки (ПК 33);

в области научно-исследовательской деятельности:

– способность аккумулировать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт в области автоматизации технологических процессов и производств, автоматизированного управлении жизненным циклом продукции, компьютерных систем управления ее качеством ПК-39;

в области специальных видов деятельности:

– способность организовывать работы по повышению научнотехнических знаний, развитию творческой инициативы, рационализаторской и изобретательской деятельности, внедрению достижений отечественной и зарубежной науки, техники, использованию передового опыта, обеспечивающих эффективную работу учреждения, предприятия (ПК-53).

1.4. Перечень умений и знаний, установленных ФГОС Студент после освоения программы настоящей дисциплины должен:

знать:

– цели и задачи автоматизации технологических процессов и производств;

– архитектуру и основные функции современных автоматизированных систем управления технологическими процессами и производством;

– основные функциональные, технические, метрологические и другие требования к системам автоматизации;

– особенности технологических объектов и процессов в нефтяной и газовой промышленности как объектов автоматизации;

– требования к объему автоматизации технологических процессов в нефтяной и газовой промышленности (основные параметры измерения, контроля, защиты, регулирования и т.д.);

– средства построения современных систем автоматизации технологических процессов и производств в нефтяной и газовой промышленности;

– современные программно-технические средства автоматизации и управления.

уметь:

– выбирать средства автоматизации технологических процессов и производств;

– проводить анализ САУ, оценивать статистические и динамические характеристики;

– выполнять работы по расчету и проектированию средств и систем автоматизации в соответствии с техническими заданиями и использованием стандартных средств автоматизации расчетов и проектирования;

– участвовать в разработке проектов по автоматизации производственных и технологических процессов, технических средств и систем автоматизации;

– практически осваивать и совершенствовать системы автоматизации производственных и технологических процессов;

– осваивать средства программного обеспечения систем автоматизации и управления;

– разрабатывать программы, связанные с автоматизацией технологических процессов;

– участвовать в разработке алгоритмического и программного обеспечения средств и систем автоматизации и управления технологическими процессами;

владеть:

– навыками построения систем автоматического управления системами и процессами;

– навыками работы с вычислительной техникой, передачей информации в среде локальных сетей, сети Интернет;

– навыками проектирования простых программных алгоритмов и реализации их на языке программирования;

– навыками наладки, настройки, регулировки, обслуживания технических средств и систем управления.

2. Цели и задачи освоения программы дисциплины Основными целями преподавания дисциплины являются:

– формирование знаний об основных требованиях к автоматизации технологических процессов и производств, а также о современных системах автоматизации в нефтяной и газовой промышленности.

Задачей изучения дисциплины является:

– освоение требований технологических объектов и производств к объему автоматизации, функциям систем автоматизации и программно-техническим средствам автоматизации и управления.

3. Место дисциплины в структуре ООП Для изучения дисциплины «Автоматизация технологических процессов и производств» необходимо освоение содержания следующих дисциплин:

– Информационные технологии в проектировании и управлении;

– Вычислительные машины, системы и сети;

– Программирование и алгоритмизация;

– Средства автоматизации и управления;

– Средства технологических измерений;

– Основы САПР;

– Теория автоматического управления.

В перечень дисциплин, в которых будут использованы знания по АТПиП, входят специальные дисциплины и дисциплины специализации.

Знания и умения, приобретаемые студентами после изучения дисциплины, будут использоваться в области проектирования и создания систем автоматического управления.

4. Основная структура дисциплины.

Таблица 1 – Структура дисциплины 5. Содержание дисциплины 5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины Раздел 1. Общие сведения о системах управления технологическими процессами Раздел 2. Основные понятия систем управления и определения Тема 2.1. Классификация процессов как объектов управления Тема 2.2. Типовые задачи управления химико-технологическими процессами Тема 2.3. Анализ технологического процесса как объекта автоматизации Тема 2.4. Структура системы управления объектом Раздел 3. Математическое описание объектов управления Тема 3.1. Виды динамических моделей систем Тема 3.2. Экспериментальные методы построения моделей Тема 3.3. Теоретико - физические методы построения модели Раздел 4. Теоретические основы систем управления Тема 4.1. Классификация систем автоматического управления Тема 4.2. Преобразование структурных схем линейных систем управления Тема 4.3. Устойчивость систем автоматического управления (САР) Тема 4.4. Качественные показатели САР Тема 4.5. Типовые законы автоматического регулирования и настроечные параметры регуляторов Тема 4.6. САР с усложненной структурой Раздел 5. Регулирование основных технологических параметров Тема 5.1. Регулирование расхода Тема 5.2. Регулирование давления Тема 5.3. Регулирование уровня Тема 5.4. Регулирование температуры Тема 5.2. Регулирование параметров состава и качества Раздел 6. Автоматизация базовых технологических процессов 5.2. Краткое описание содержания теоретической части разделов и Раздел 1. Общие сведения об автоматизации технологических процессов и производств.

Структура производственного процесса. Основные, вспомогательные технологические процессы. Цели и задачи автоматизации технологических процессов и производств. Классификация автоматизированных систем управления технологическими процессами и производством. Основные компоненты автоматизированных систем управления. Технологии и инструментальные средства проектирования систем управления.

Раздел 2. Основные понятия систем управления и определения Тема 2.1. По физико-химическим приемам переработки материалов выделяются следующие виды процессов:

1. механические (измельчение, дозирование и т. д.);

2. гидромеханические (перемешивание, отстаивание);

3. тепловые (нагрев, выпаривание);

4. массообменные (ректификация, аб(ад)сорбция и т. д.);

5. химические (окисление, восстановление, синтез, крекинг и т. д.).

По характеру проведения во времени различают следующие виды процессов:

а) непрерывные;

б) полунепрерывные;

в) смешанные;

г) дискретные.

Основными технологическими параметрами, по которым осуществляются контроль и управление технологическими процессами, являются:

температура, расход вещества и энергии, межфазный уровень продуктов.

Тема 2.2. Рассмотрим различные типовые задачи управления химикотехнологическими процессами (ТП):

1.Управление процессами передачи энергии.

2.Управление химическими реакциями.

3.Управление процессами разделения (ректификации).

4. Управление процессами массопередачи.

Процессы, протекающие в химических и ядерных реакторах, промышленных печах, насосах, компрессорах и других аппаратах характеризуются превращением энергии из одной формы в другую.

В некоторых процессах, например в процессах теплообмена, энергия передается от одного вещества к другому без ее превращения.

Передача энергии в технологических процессах (от сгорания топлива в агрегатах до перекачивания насосом жидкости по трубопроводам) подчиняется одним и тем же законам. В частности, тепловая, электрическая, гидравлическая энергия при всех ее превращениях сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики.

Управление передачей энергии заключается в регулировании скорости потока энергии, т.е. в регулировании ее мощности.

Основным условием эффективного управления передачей энергии является:

диагностика неисправностей оборудования, защита от сбоев в системе управления;

обеспечение безаварийной работы;

сохранение их материального и энергетического балансов.

Как правило, производительность технологической установки определяется производительностью реактора, так как он находится в начале технологической линии.

Для выявления наиболее выгодного режима химического процесса инженерами-технологами сначала находятся оптимальные условия проведения реакции по скорости и степени превращения исходного материала в готовый продукт.При этом оценивается влияние большого числа факторов на скорость основной и побочной реакции. Затем проектируется установка и система автоматического управления, предназначенная для поддержания оптимальных условий протекания процесса.

Работа системы автоматического управления реактором в значительной степени зависит от того, насколько удачно спроектирован реактор. Он может быть спроектирован так неудачно, что ни одна система управления не обеспечит протекание в нем устойчивого процесса, поскольку сам реактор будет работать в неустойчивом режиме.

В реакторах, в отличие от других аппаратов, обычно не происходит быстрых и случайных изменений нагрузки. Несмотря на это, система управления реакторной установки должна обеспечивать высокое качество регулирования, иначе возникают возмущения, воздействующие на последующие аппараты технологической линии.Большинство химических реакторов должны работать при постоянной нагрузке, так как изменение последней интенсивно влияет на переходный процесс.

Отклонение режима работы от заданного значения приводит:

к низкому качеству получаемого продукта;

разрушению или отравлению катализатора;

износу оборудования;

возникновению условий, опасных для жизни человека.

Для регулирования химических реакторов (даже если они не подвержены быстро меняющимся нагрузкам) необходимо применение только хорошо работающих систем регулирования.

Задачи управления:

стабилизация процесса (поддержание скорости, постоянных соотношений расходов, степени превращения исходного материала в исходный продукт);

оперативная оценка неизмеряемых параметров контроля;

минимизация количества побочных продуктов;

минимизация удельных энергозатрат на единицу продукции;

диагностика неисправностей оборудования, защита от сбоев в системе управления.

Получение целевых продуктов заданного состава возможно лишь при условии качественного управления процессами ректификации, что представляет довольно трудную задачу по следующим причинам:

1. Наличие значительного времени запаздывания ректификационных колонн (РК), обусловленного большим числом тарелок.

2. Взаимодействие отдельных параметров процесса.

3. Невозможность непосредственного анализа состава продуктов разделения.

4. Наличие частых и больших по величине возмущений процесса ректификации.

5. Трудностъ формулировки требований, предъявляемых к параметрам процесса.

Основным условием эффективного управления ректификационными колоннами является сохранение материального баланса колонны.

Задачи управления:

При управлении простыми РК (сырье разделяют на два продукта) обычно задача управления заключается:

в регулированиирасхода сырья;

в регулированиитемпературы сырья;

в регулированиидавления (обычно верха) колонны;

в регулировании температуры верха колонны (при целевом верхнем продукте) при стабилизации подвода тепла вниз колонны;

в регулированиитемпературы низа колонны (при целевом нижнем продукте) при стабилизации подвода холода вверх колонны;

в регулированииуровней в кубе колонны и в дефлегматоре (если он используется в технологической схеме);

в расчете и поддержании заданных концентраций примесей (четкости разделения) в верхнем и нижнем продуктах;

в максимизации отбора целевого продукта при ограничении на количество примеси; максимизируется отбор наиболее дорогого продукта;

в минимизации удельных энергозатрат при ограничении на качество (содержание примесей) в продуктах разделения.

При управлении сложными РК (сырье разделяют более чем на два целевых продукта) обычно задачи управления заключаются:

в регулированиирасхода сырья;

в регулированиитемпературы сырья;

в регулированиидавления (обычно верха) колонны;

в регулированииотборов фракций;

в регулированиитемператур отдельных точек колонны (с помощью циркуляционного или острого орошения);

в регулированииуровней в кубе колонны и в стриппинг- секциях (если они используются в технологической схеме);

в регулировании заданных значений характерных точек ИТК боковых отборов, нижнего и верхнего продуктов;

в регулировании косвенных параметров, характеризующих состав продуктов: температуру вспышки, вязкость, цвет;

в максимизации отбора наиболее дорогих целевых продуктов при ограничении на качество и количество отбираемых фракций; при этом учитываются ограничения технологического характера: допустимые нагрузки по паровому и жидкостному потокам, в частности перепад давления по колонне или по секциям колонны;

в минимизации удельных энергозатрат при ограничении на качество продуктов разделения.

Во всех процессах массообмена (за исключением ректификации) разделение на отдельные компоненты протекает в присутствии не одной, а нескольких фаз:

газа(пара)–жидкости (адсорбция, увлажнение);

жидкости–жидкости (экстракция);

жидкости–твердого вещества (выпарка, кристаллизация, адсорбция);

пара–твердого вещества (сушка).

Вследствие этого во всех приведенных случаях один из потоков на входе представляет либо готовый продукт (вторичный пар на выходе из выпарного аппарата), либо смесь продуктов, находящихся в равновесии независимо от материального баланса установки.

Поддержание баланса любого процесса массообмена в случае двухфазной системы, как правило, упрощается. При этом исключается одна переменная, что уменьшает число регулируемых величин на единицу.Основным управляемым параметром в процессе массообмена обычно является состав получаемого продукта, что требует в каждом конкретном случае своего анализатора качества.

Часто процессы массообмена успешно регулируют по такому выходному параметру, как плотность продукта. Иногда, например, при сушке материала нецелесообразно применять анализаторы, так как управление процессом достаточно хорошо может быть обеспечено по другим параметрам, таким как влажностъ и температура.

Задачи управления:

стабилизация процесса;

оперативная оценка неизмеряемых параметров контроля продукции;

увеличение выхода продуктов заданного качества;

минимизация удельных энергозатрат на единицу продукции;

поддержание материального балансов;

диагностика неисправностей оборудования, защита от сбоев в системе управления.

Тема 2.3. Задачи анализа связаны с изучением свойств и эффективности функционирования производственного процесса в зависимости от структуры технологических связей, значений конструкционных и технологических параметров.

Цель анализа – из всей совокупности входных воздействий, влияющих на ход процесса, и выходных переменных, характеризующих протекание процесса, выбираются те величины, которые будут изменяться при решении задачи управления. К этим величинам относятся управляющие воздействия u1, u2, …, um, которые являются целенаправленно изменяемыми в процессе управления входными воздействиями, и управляемые переменные у1, у2 … уn, относящиеся к тем выходным переменным, информация об изменении которых используется для формирования управляющих воздействий; остальные входные воздействия (z1, z2 … zl) – к возмущающим, а выходные переменные – к неуправляемым. Возмущающие воздействия могут быть контролируемыми (наблюдаемыми) и неконтролируемыми (ненаблюдаемыми). Возможно и другое деление возмущений: связанные с состоянием технологического оборудования, с подачей сырья, энергии, состоянием окружающей среды. Для описания совокупностей управляющих, возмущающих и управляемых переменных можно использовать векторную форму записи (рис.2.1):

Рис.2.1. Структурная схема объекта управления Анализ процесса должен заканчиваться построением материальных и тепловых балансов в статических и динамических режимах работы объекта.

Выбор регулируемых, контролируемых параметров и управляющих воздействий может осуществляться, исходя из условия сохранения балансов.

Тема 2.4. Структурная схема системы управления объектом Объект управления и управляющая система, взаимодействующие между собой, составляют систему управления (рис. 2.2).

Управляющей системой называют совокупность персонала и автоматических устройств, связанных общей задачей управления.

Автоматические устройства, входящие в управляющую систему, по функциональным признакам подразделяются на устройства контроля, регулирования, программного управления, сигнализации, блокировки и защиты. К ним относится также и вычислительная техника.

Устройства контроля(контрольно-измерительные приборы) служат для получения информации о состоянии объекта и условиях его работы.

Они могут быть выполнены либо в виде отдельных приборов, предназначенных для визуального контроля за параметрами процесса, либо являются составной частью устройств регулирования, сигнализации и защиты.

Рис.2.2. Структурная схема системы управления объектом Контрольно-измерительные приборы устанавливают непосредственно у технологических аппаратов (местный контроль) или на центральных щитах управления (дистанционный контроль).

Устройства регулированияпредназначены для поддержания постоянного значения параметров процесса (стабилизирующие регуляторы), а также для изменения их по заранее заданному или неизвестному закону (программные, следящие, экстремальные регуляторы).Эти устройства получают от объекта управления информациюо состоянии параметров и воздействуют на объект с помощью регулирующих органов.

Устройства программного управления служат для управления какимлибо процессом путем включения или выключения различных машин и механизмов по заранее заданной программе, являющейся функцией времени.Эти устройства применяют для управления объектами периодического действия или непрерывного – во время пуска и останова.

Устройства сигнализации предназначены для автоматического оповещения обслуживающего персонала о наступлении тех или иных событий в управляемом объекте путем подачи звуковых или световых сигналов.Различают технологическую сигнализацию и сигнализацию положения (состояния).Технологическая сигнализация может быть, в свою очередь, предупредительной и аварийной.

Предупредительная сигнализация предназначена для оповещения обслуживающего персонала об отклонениях параметров процесса, свидетельствующих о возникновении предаварийного режима.

Аварийная сигнализация оповещает о недопустимых значениях параметров процесса или об аварийном отключении какого-либо аппарата технологической схемы.

Одновременно с появлением сигналов должны срабатывать имеющиеся на объекте автоматические устройства защиты.

Сигнализация положения (состояния) указывает на состояние объектов (включены или выключены) и положениязапорных органов (открыты или закрыты) в данный момент.

Устройства блокировкислужат для предотвращения неправильной последовательности включений и отключений машин и механизмов.

предотвращения аварий.

В случае нарушения нормального режима эти устройства воздействуют на управляемый объект таким образом, чтобы предаварийное состояние не переходило в аварийное. Иногда они сами восстанавливают нормальный режим.

Например, при осуществлении процесса ректификации признаками опасности могут являться прекращение подачи исходной смеси, хладоносителя в дефлегматор и конденсатор, теплоносителя – в кипятильник, а также повышение давления в колонне.Поэтому в случае появления любого из перечисленных признаков необходимо перекрыть или открыть несколько магистралей.

Раздел 3. Математическое описание объектов управления Тема 3.1. Общие положения. Модели в зависимости от методов математического описания объектов управления могут быть получены теоретически, экспериментально и с использованием комбинированного подхода. Применительно к химико-технологическим системам (ХТС) текстовые и графические модели, используемые для получения общего представления о процессе функционирования ХТС, ее подсистемах, составе исходного сырья, промежуточных и исходных продуктах, называются соответственно иконографическими моделями. Математический язык моделей может быть математических соотношений в виде формул, уравнений, операторов, логических условий или неравенств. В графических моделях– графики, номограммы, схемы. Математические модели, представленные в виде схем, иногда называют математическими иконографическими (топологическими) моделями.

Модели по зависимости переменных от пространственных координат разделяют на модели с распределенными переменными (изменяются в пространстве) и с сосредоточенными переменными (не изменяются).

По зависимости параметров модели от переменных различают линейные и нелинейные модели. Если параметры (коэффициенты) модели зависят от переменных или если последние мультипликативны, то модель является нелинейной. Наиболее просто задача определения параметров решается для линейных объектов, для которых выполняется принцип суперпозиции. Здесь можно выделить два случая:

1. Объект линеен по входному воздействию:

2. Объект линеен по параметрам:

В задачах идентификации под линейными объектами чаще понимают объекты, линейные по входному воздействию.

По принципу построения модели разделяют на детерминированные и стохастические (вероятностные).

Детерминированная модель– это модель, содержащая систему функциональных зависимостей.

Стохастическая модель– это модель, содержащая вероятностные элементы и представляющая собой систему эмпирических зависимостей, полученных в результате статистического обследования действующего объекта.

По изменению выходных переменных во времени модели разделяют на статические и динамические. Статическая и динамическая модели входят как составные части в полную математическую модель процесса.

Статическая модель описывает связи между основными переменными в установившемся статическом режиме, динамическая– при переходе от одного режима к другому.

Динамическая модель может быть функцией непрерывного или дискретного времени. Динамическая модель в зависимости от способа получения может быть представлена в виде переходной, импульсной и частотной характеристик, а также в виде передаточной функции.

Переходная функция (характеристика) h(t) определяет изменение выходной величины объекта (элемента, системы) при скачкообразном изменении входной величины на единицу 1(t) и при нулевых начальных условиях.

Импульсная переходная функция (характеристика), или функция веса (t), определяет изменение выходной величины при приложении ко входу объекта (элемента, системы) дельта-функции (t) или единичного импульса.

Частотная (амплитудно-фазовая) функция (характеристика) W(jw) определяет изменение амплитуды и фазы выходной переменной в установившемся режиме при приложении ко входу объекта (элемента, системы) гармонического воздействия.

Передаточная функция W(p) – это отношение изображения (по Лапласу) выходной величины объекта (элемента, системы) к изображению (по Лапласу) входной величины при нулевых начальных условиях.

Динамические модели могут быть описаны системами обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнений в частных производных либо разностных уравнений на детерминистской или стохастической основе.

Динамические свойства систем в этих уравнениях определяются производными по времени или соответствующими им разностными выражениями.

Системы, описываемые дифференциальными уравнениями в частных производных, могут быть аппроксимированы обыкновенными дифференциальными уравнениями, которые содержат только производные по времени.Любое из обыкновенных дифференциальных уравнений порядка m можно преобразовать в систему дифференциальных уравнений первого порядка.

Система из п дифференциальных уравнений первого порядка определена полностью лишь в том случае, когда заданы все коэффициенты и известны п начальных условий.

Начальные условия образуют n-мерный вектор, который полностью (и точно) определяет состояние системы, описываемой названными уравнениями, в начальный момент времени t0(предполагается, что все входные или возмущающие воздействия известны с момента t0и далее).

Указанный вектор называется вектором состояния системы в момент времени t0, а его компоненты называются переменными состояния.

Полученное в результате векторное дифференциальное уравнение является уравнением состояния динамической системы:

где x – n1 –вектор состояния (вектор состояния может быть образован различными комбинациями п переменных состояния); u – m1 –вектор возмущающих воздействий, или входной вектор, компоненты которого могут быть независимыми функциями времени; A, B – матрицы коэффициентов.

Тема 3.2. Экспериментальные методы построения моделей.

синусоидальных воздействий. Идентификация с использованием частотных, ступенчатых, импульсных и синусоидальных воздействий является одним из первых подходов, реализованных в системах управления.

Этот подход требует специальных входных сигналов, а именно ступенчатых сигналов для идентификации по переходной характеристике, импульсных входных сигналов для идентификации по импульсной переходной характеристике и синусоидальных входных сигналов с различными частотами для определения частотной характеристики. Поскольку вместо входных сигналов, соответствующих нормальному режиму работы, требуются указанные выше специальные сигналы, то очевидно, что эти методы предполагают идентификацию вне процесса управления.

Идентификация с помощью переходной функции. Простейшим входным сигналом, используемым при идентификации, является ступенчатое воздействие. Если ступенчатые возмущения воздействуют на многие системы путем внезапного открывания (или закрывания) входного клапана в процессе нормальной работы, то переходные функции можно записать, не нарушая нормального режима работы системы. Очевидно, при этом необходимо предположить, что система стационарна, так как идентификации считаются достоверными и после приложения ступенчатого сигнала. Кроме того, предполагается, что в диапазоне амплитуд ступенчатого сигнала система линейна.

Реакцию системы на единичное ступенчатое входное воздействие называют ее переходной характеристикой и обозначают h (t).

Переходную характеристику можно получить как решением дифференциальных уравнений, так и экспериментально. Для этого следует установить равновесный режим работы исследуемой системы, после чего нанести ступенчатое возмущение и зарегистрировать график вызванного таким воздействием изменения выходной величины.

Ступенчатое возмущение при этом не обязательно должно быть равно единице; приведение к единичному воздействию может быть сделано после окончания эксперимента делением каждой ординатывыходной величины на значение входного воздействия, при котором проводился эксперимент.

Возможность не только расчетного, но и экспериментального определения переходных характеристик является весьма существенным их достоинством с точки зрения инженерной практики.

функции.Процедура идентификации линейных систем с использованием их импульсных переходных функций очень похожа на процедуру идентификации с помощью переходных функций. Для такой идентификации требуется приложить импульсный сигнал (дельта-функция) на вход идентифицируемой системы. Поэтому идентификация проводится вне процесса управления. Реакцию системы на дельта-импульсное воздействие называют импульсной переходной характеристикой системы и обозначают как (t). Важное свойство этой характеристики состоит в том, что ее изображение по Лапласу есть передаточная функция системы.

Действительно, изображение выходной величины системы представляет собой произведение передаточной функции системы на изображение входного воздействия. Но изображение дельта- функции как производной от единичной ступенчатой функции равно единице, а поэтому изображение реакции системы на дельта- импульсное воздействие просто совпадает с передаточной функцией.

Идентификация с помощью частотной характеристики.Частотный метод идентификации линейных систем использует амплитудные и фазовые (частотные) характеристики. В частотном методе полагается, что на вход подается синусоидальный сигнал, частота которого изменяется в рассматриваемом диапазоне. Следствием этого являются значительные практические трудности при формировании синусоидальных входных сигналов с различными частотами.

От частотной передаточной функции можно перейти к передаточной функции в операторной форме путем формальной замены аргумента (j) на р или в форме преобразования Карсона, Лапласа.

Как и любую комплексную величину W(j) можно представить в алгебраической форме в виде суммы вещественной и мнимой частей:

В прямоугольных координатах P() и Q() являются проекциями вектора W(j) соответственно на вещественную и мнимую оси. Модуль А ( ) и аргумент () передаточной функции можно выразить через проекции следующим образом:

При изменении частоты от 0 до конец вектораW(j ), в соответствии с изменением его модуля и аргумента, опишет на плоскости кривую, называемую годографом Найквиста (амплитудно-фазовая (частотная) характеристика). Величина отрезка от начала координат до каждой точки годографа показывает во сколько раз на данной частоте выходной сигнал больше входного, а сдвиг фазы между сигналами определяется углом до упомянутого отрезка (рис. 3.1).

а) амплитудно-фазовая (частотная) характеристика; б) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) От АФХ порождаются все другие частотные зависимости:

A() – четная – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

() – нечетная – фазочастотная характеристика (ФЧХ);

ЛАЧХ – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика;

ЛФЧХ – логарифмическая фазочастотная характеристика.

Идентификация с использованием корреляционных функций. При использовании случайных воздействий основными характеристиками, описывающими систему, являются одномерные и многомерные функции распределения, корреляционные функции и спектральные характеристики.

Наиболее часто используют корреляционную функцию или спектральную плотность. Спектр сигнала может быть получен преобразованием по Фурье как самого сигнала, так и его корреляционной функции. При исследовании производственных процессов обычно выбирают второй способ.

Раздел 3.3. Теоретико-физические методы построения модели.

Кроме этапов (выделение объекта, выбор вида математической модели и способа ее разработки) при использовании теоретического метода построения модели необходимо реализовать выбранный способ разработки моделей и проверить модель на адекватность.

Реализация выбранного способа моделирования включает три cтадии:

составление уравнений материального и энергетического балансов, введение в уравнения балансов основных переменных, использование теоретических и эмпирических соотношений.

Составление уравнений материального и энергетического балансов Для статической модели:

приток вещества = сток вещества;

приток тепловой энергии = сток тепловой энергии.

Для динамической модели:

приток вещества = сток вещества = накопление вещества;

приток энергии = сток тепловой энергии = накопление энергии.

Общее выражение для любого баланса в аналитическом виде записывается как где П – параметр, характеризующий процесс накопления энергии или вещества.

Тепловой объект (теплообменник):

где Q1 – количество подводимой теплоты;Q2 – количество отводимой теплоты;m – масса теплоносителя;С – удельная теплоемкость;– температура.

Гидравлический объект (резервуар с жидкостью) где V1– объемный приток жидкости; V2– объемный сток жидкости; l – уровень жидкости; F – площадь поперечного сечения резервуара.

Аэродинамический объект (пневматика):

где G1– приток газа; G2 – расход газа; V – объем сосуда; R – газовая постоянная; Т – температура.

Механический объект (вентилятор, компрессор):

где M1 – крутящий момент;М2– момент сопротивления;I –момент инерции;

– угловая частота (скорость вращения).

С точки зрения управления процессами вышеприведенные ура внения в п равой части содер жат рег улир уем ую (управляемую) величину, а в левой – регулирующие и возмущающие воздействия.

Введение в уравнение баланса основных переменных Для введения в уравнение баланса основных переменных объект моделирования разбивается на отдельные элементарные процессы (в динамике это, как правило, дифференциальные уравнения первого порядка):

Число элементарных участков определяет порядок дифференциального уравнения объекта в целом:

поэтому при его выборе стремятся к достижению разумного компромисса между точностью модели и ее сложностью.

Использование теоретических и эмпирических соотношений Кроме уравнений балансов и уравнений элементарных процессов, также используют теоретические и эмпирические соотношения между различными параметрами процесса в основном для расчета параметров моделей и выбора ограничений на переменные процесса. На управляемые переменные накладываются регламентные ограничения, а на управляющие воздействия – ограничения по ресурсам.

Данной проверкой завершается разработка модели, при которой сравниваются результаты экспериментальных исследований (как правило, при использовании активного метода) с результатами вычислений при решении уравнений модели для идентичных условий. По результатам экспериментальных исследований возможна корректировка значений ее параметров (параметрическая идентификация) для повышения точности модели.Для количественной оценки адекватности модели, полученной при теоретико - физическом подходе, используют функцию:

х i – значение переменной в модели; ~ i– значение переменной, полученной в результате измерения на объекте; i – весовой коэффициент, который выбирается из соображения важности тех или иных переменных для последующего использования модели.

Раздел 4. Теоретические основы систем управления Тема 4.1. Классификация систем автоматического управления Классификация по принципам управления САУ по наличию обратной связи:

Рис. 4.1. Структурная схема САУ по отклонению:

g – задающее воздействие (задание);e = g–у – ошибка регулирования;

u – управляющее воздействие; f – возмущающее воздействие (возмущение) Элемент называется сумматором. Его действие заключается в суммировании поступающих к нему сигналов. Если какой-либо сектор сумматора зачернен, то сигнал, поступающий в данный сектор, берется со знаком «минус».

При отклонении выходной величины от заданного значения (при наличии возмущающего воздействия f(t)) система за счет обратной связи компенсирует это отклонение, и выходная величина возвращается к заданному значению.

Достоинство таких систем это высокая точность регулирования.

Данные системы могут быть использованы в том случае, если есть возможность измерения возмущающего воздействия (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Структурная схема САУ по возмущению:

САУ комбинированные сочетают в себе оба принципа управления: по отклонению и возмущению.

Данный способ (рис. 4.3) достигает высокого качества управления, поскольку здесь идет коррекция управляющего воздействия не только по величине ошибки, но и по возмущающему воздействию, однако применение данного способа регулирования ограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегда возможно измерить.

Рис. 4.3. Комбинированная структурная схема САУ Комбинированная система позволяет сочетать точность замкнутых систем и быстродействие разомкнутых.

Системы автоматического регулирования (САР). Задачей САР является поддержание заданного значения выходной величины объекта управления, т.е. выполнение равенства Y=G.

В зависимости от изменения задающего воздействия во времени САР принято делить:

на системы автоматической стабилизации ( G=const, задающее воздействие постоянно во времени);

на системы программного управления (задающее воздействие изменяется по заранее заданному закону(программе));

на следящие системы (задающее воздействие изменяется по неизвестному заранее закону и для системы является случайной величиной).

Экстремальные системы. В таких системах необходимое значение управляемой величины определяется или разработчиком, или внутри системы (САУ) таким образом, чтобы обеспечить экстремальное (максимальное или минимальное) значение каких-либо параметров системы или объекта управления. Например, при управлении сложными ректификационными колоннами обычно решаются следующие задачи:

максимизация отбора наиболее дорогих целевых продуктов при ограничении на качество и количество отбираемых фракций; при этом учитываются ограничения технологического характера: допустимые нагрузки по паровому и жидкостному потокам, в частности перепад давления по колонне или по секциям колонны;

минимизация удельных энергозатрат при ограничении на качество продуктов разделения.

Классификация по наличию статической ошибки В зависимости от возможности выполнения равенства Y=G различают статические и астатические САР.

Статические системы – существует статическая ошибка (обязательно существует отклонение выходной величины ОУ от предписанного значения).

Астатические системы – в принципе в установившемся режиме возможно точное выполнение равенства Y=G. Это возможно достичь введением интегрирующего звена в контур системы управления.

Классификация по возможности адаптации Адаптивные системы. Данный признак классификации характеризует возможность автоматического изменения или настройки каких-либо параметров системы или объекта управления.

Настройка необходима в том случае,когда характеристики ОУ и воздействия на систему управления с течением времени меняются непредвиденным образом.

Классификация по характеру динамических процессов В зависимости от характера внутренних динамических процессов, протекающих в САУ, последние можно разделить на линейные и нелинейные.

Поведение линейной САУ описывается дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.Все составляющие ее элементы имеют линейную статическую характеристику вида у = к х. Для линейных систем применим принцип суперпозиции, заключающейся в том, что реакция системы на произвольную совокупность внешних воздействий равна сумме реакций на каждое из этих воздействий в отдельности.

Система называется нелинейной, если имеется хотя бы один элемент с нелинейной статической характеристикой. Поведение системы в динамике описывается нелинейными дифференциальными уравнениями, точное решение которых возможно лишь в частных случаях. Для упрощения задач проектирования нелинейных систем прибегают к линеаризации характеристик и замене нелинейных уравнений приближенными линейными.

В зависимости от формы сигналов, используемых для передачи информации в САУ, различают непрерывные и дискретные системы.

В непрерывных системах сигналы во всех точках системы являются непрерывными функциями во времени. Непрерывные системы могут быть как линейными, так и нелинейными.

В дискретных системах сигнал хотя бы в одной точке носит дискретный характер. В зависимости от того, какие дискретные сигналы используются в системе, дискретные системы делятся на релейные, импульсные и цифровые.

В релейных системах используют сигналы, дискретные по уровню.

Такие сигналы по амплитуде могут принимать не любые, а лишь строго определенные значения.

В импульсных системах используют сигналы, дискретные во времени.

Эти сигналы могут изменять свое значение лишь в строго определенные моменты времени.

В цифровых системах применяют сигналы дискретные как по уровню, так и по времени.

Импульсные системы в зависимости от вида импульсного элемента могут быть как линейными, так и нелинейными: релейные и цифровые системы являются существенно нелинейными.

В настоящее время дискретные, особенно цифровые системы, получают все более широкое применение. Цифровые системы позволяют значительно повысить точность управления.

Классификация по числу регулируемых параметров В зависимости от числа регулируемых параметров в САУ различают одномерные и многомерные системы.

В одномерных системах объекты управления имеют один вход и один выход. Многомерные системы предназначены для управления несколькими параметрами ОУ. Например, управление ректификационной колонной предполагает регулирование по температуре, расходу, давлению и качеству готового продукта.

При управлении сложными объектами, например производственным предприятием, необходимо контролировать сотни и тысячи различных величин.

В перечисленных системах не только много управляемых величин, но и функции отдельных контуров управления различны. Одни служат для стабилизации параметров, другие выполняют функции следящих систем.

В целом такие системы называют комплексными, при этом задачей управления системы является получение экстремума какой-либо обобщенной функции ОУ. В качестве управляющих устройств для таких объектов используют вычислительные устройства различной сложности: от встроенных микропроцессоров до универсальных ЭВМ.

Тема 4.2. Преобразование структурных схем линейных систем управления.

В теории автоматического управления (ТАУ) для описания автоматических систем (АС) используют дифференциальные уравнения, устанавливающие связь управляющих, возмущающих и выходных воздействий системы и их зависимостей от времени.

При решении задач анализа и синтеза АС разбивается на отдельные части (например, УУ и ОУ). Математическая зависимость между входными и выходными величинами во времени описывается дифференциальными уравнениями, как правило, не выше второго порядка. Такие искусственно выделенные части АС называются элементарными динамическими звеньями.

В отличие от элемента схемы динамическое звено необязательно является конструктивно или схемно законченной частью системы.

Элементы самой различной физической природы могут быть представлены в виде одинаковых динамических звеньев, если их динамические свойства описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями (например, электрический двигатель и кожухотрубный теплообменник ).

Поэтому при решении задач синтеза и анализа АС все многообразие элементов автоматики сводится к нескольким типовым элементарным динамическим звеньям (пропорциональному, апериодическому звену 1-го порядка, интегрирующему, дифференцирующему, колебательному, запаздывающему).

В общем виде дифференциальное уравнение элементарного динамического звена имеет вид где х(t) – входное воздействие звена; y(t) – выходное воздействие; а i, b i – постоянные коэффициенты.

Для упрощения расчетов дифференцальных уравнений в ТАУ используют операторную форму записи. Уравнения в операторной форме получают путем преобразования Лапласа или путем условной, формальной замены знака дифференцирования d / dtоператором дифференцирования Р.

Такая замена позволяет записать операции дифференцирования и интегрирования в виде операций соответственно умножения и деления на оператор Р. Тогда дифференциальное уравнение динамического звена запишется в виде алгебраического уравнения:

отсюда получим Отношение элементарного динамического звена в операторной форме W(p).Отсюда предыдущее выражение примет следующий вид:

у(t) = W(p) x(t).

Элементарное динамическое звено можно составить из следующих типовых звеньев:

1. Пропорциональное звеноW(p)= Апериодическое звено 1-го порядка ( а1 р + а2 ) у(t) = b2 x(t) Дифференцирующее звено 1-го порядка у(t) = кd · Отсюда передаточная функция:

Отсюда передаточная функция:

Запаздывающее звеноW(p) =e-.

Структурная схема САУ показывает, из каких элементарных динамических звеньев она состоит и как эти звенья соединены между собой.

В результате на основании передаточных функций отдельных звеньев становится возможным определить передаточную функцию всей системы в целом. В структурных схемах САУ имеется три основных вида соединения звеньев: последовательное, параллельное, встречно-параллельное (соединение с обратной связью).

При последовательном соединении выходная переменная каждого предыдущего звена является выходной переменной каждого последующего звена. Таким образом, результирующая передаточная функция последовательно соединенных звеньев равна произведению передаточных функций каждого звена.

Параллельным называется такое соединение звеньев, при котором входная переменная для всех звеньев имеет одно и тоже значение, а выходная – равна алгебраической сумме выходных переменных всех звеньев.

Таким образом, результирующая передаточная функция параллельно соединенных звеньев равна сумме передаточных функций отдельных звеньев.

Встречно-параллельным называется такое соединение звеньев, при котором сигнал с выхода звена прямой цепи подается на его вход через звено (обратная связь) так, что образуется замкнутый контур прохождения сигнала Используя эту зависимость, находим результирующую передаточную функцию встречно-параллельного соединения звеньев:

где W1(t) – передаточная функция звена прямой цепи;Woc(t) – передаточная функция звена обратной цепи; знак «минус» соответствует положительной, а знак «плюс» – отрицательной обратной связи.

Используя полученные выражения для передаточных функций при последовательном, параллельном и встречно-параллельном соединениях звеньев, перейдем к нахождению передаточной функции всей САУ.

Замкнутая система называется одноконтурной, если при ее размыкании в какой-либо точке замкнутого контура получается цепь (схема) без параллельных и обратных соединений (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Одноконтурная схема регулирования Цепь по ходу сигнала от точки приложения входной переменной до точки съема выходной переменной называется прямой цепью. Прямая цепь представляет последовательное соединение звеньев. Поэтому передаточная функция прямой цепи Wn равна произведению передаточных функций звеньев, входящих в эту цепь, включая и сумматоры.

Прямая цепь системы (см. рис. 4.4) относительно входа g и выхода у представляет последовательное соединение двух сумматоров и звеньев с передаточными функциями W1, W2 и W3. Входы сумматоров в этой цепи имеют знак «плюс»,поэтому передаточные функциисумматоров равны единице и,соответственно, передаточная функцияпрямой цепи Wn = W1 W Прямая цепь рассматриваемой системы относительно входа f и выхода е представляет последовательное соединение двух сумматоров и звеньев с передаточными функциями W0, W3 и W4. Вход первого сумматора имеет знак «плюс», и его передаточная функция равна 1; вход второго сумматора имеет знак «минус», и его передаточная функция равна– 1. Поэтому в этом случае передаточная функция прямой цепи имеет вид Передаточная функция одноконтурной системы относительно внешнего воздействия (входа) f и выхода х равна передаточной функции прямой цепи, деленной на единицу, минус передаточная функция контура:

Передаточная функция контура Wк равна произведению передаточных функций всех звеньев, входящих в замкнутый контур, включая сумматоры.

Напомним: передаточная функция сумматора по входу со знаком «плюс»

равна плюс единице, а по входу со знаком «минус» – минус единице.

Передаточную функцию рассматриваемой системы (см. рис. 4.4) относительно входа gи выхода уможно представить следующим выражением:

Передаточную функцию относительно входа f и выхода е можно представить выражением:

Тема 4.3. Устойчивость систем автоматического управления (САУ) Для того чтобы оценить устойчивость САУ и точно определить вид и параметры переходного процесса, необходимо в соответствии со структурной схемой по известным уравнениям отдельных звеньев составить дифференциальное уравнение всей системы и найти его аналитическое и графическое решение. Но точное решение дифференциальных уравнений высоких порядков представляет собой весьма трудоемкую задачу и возможно далеко не во всех случаях.

Поэтому для анализа САУ используют косвенные оценки – критерии, позволяющие ответить на главный вопрос – устойчива или неустойчива система, а также оценить качество переходного процесса без решения дифференциального уравнения.

Критерии устойчивости систем. Эти критерии можно разделить на две группы: алгебраические и частотные.

Алгебраические критерии используются тогда, когда имеется дифференциальное уравнение системы.Эти критерии позволяют определить, устойчива система или нет, путем сравнительно простого анализа коэффициентов дифференциальное уравнение системы.

В качестве примера рассмотрим алгебраический критерий устойчивости Гурвица.Данный критерий устанавливает факт отрицательны ли вещественные части всех корней характеристического уравнения или нет.

Если да – система устойчива, если нет – неустойчива.

Критерий Гурвица формулируется следующим образом: чтобы корни характеристического уравнения системы автоматического регулирования при а0 0 имели отрицательные вещественные части, необходимо и достаточно, чтобы главный определитель и все его диагональные миноры были положительны.

Главный определитель составляется следующим образом: по главной диагонали выписываются все коэффициенты уравнения от a1 до a n 1 в порядке возрастания индексов – столбцы вверх от элементов диагонали дополняются коэффициентами того же уравнения с последовательно возрастающими индексами, вниз – с последовательно убывающими индексами. На место коэффициентов, индекс которых больше n и меньше нуля, присваивается нуль:

Определители младшего порядка получаются как диагональные миноры определителя n1 :

Если все коэффициенты характеристического уравнения отрицательны, то их можно сделать положительными, умножив обе части на (–1).

Рассмотрим условия устойчивости для частных случаев.

Уравнение первого порядка:

Условие Гурвица. Для того чтобы система, описываемая дифференциальными уравнениями первого порядка была устойчивой, необходимо и достаточно, чтобы все коэффициенты характеристического уравнения были положительны:

Уравнение второго порядка:

Условие Гурвица. Для того чтобы система, описываемая дифференциальными уравнениями второго порядка была устойчивой, необходимо и достаточно, чтобы все коэффициенты характеристического уравнения и определитель 1 были положительны:

Уравнение третьего порядка:

Условие Гурвица. Для того чтобы система, описываемая дифференциальными уравнениями третьего порядка была устойчивой, необходимо и достаточно, чтобы все коэффициенты характеристического уравнения и определитель 2 были положительны:

Из условия равенства 2 = 1 3 = a1 a2 – a0 a3 =0 для данного случая можно найти коэффициенты, при которых система находится на колебательной границе устойчивости, после чего необходимо проверить выполнение других условий. Корневые критерии качества основаны на анализе распределения на комплексной плоскости корней характеристического уравнения системы.

Система устойчива, если все корни ее характеристического уравнения расположены в левой полуплоскости комплексной плоскости (лежат слева от мнимой оси).Если среди корней имеются два чисто мнимых корня, а все остальные находятся в левой полуплоскости, система находится на границе устойчивости.

Система, характеристическое уравнение которой имеет два нулевых, или две пары одинаковых мнимых корней, будет уже неустойчивой.

Корневые критерии применяются в основном для приближенной оценки качества переходных процессов систем низких порядков при всевозможных входных воздействиях.

Вторую группу составляют частотные критерии устойчивости, основанные на анализе частотных характеристик. Исходными для применения частотных характеристик являются амплитудно- и фазочастотные характеристики разомкнутых систем (или их совокупность – АФХ).

Предварительно определим две характерные точки на оси частот.

Частотой среза ср системы называется частота, на которой модуль передаточной функции равен единице.

Резонансной частотой рез системы называется частота, для которой сдвиг фаз ( ) между входными и выходными воздействиями достигает (– 1800).

Допустим, что модуль передаточной функции разомкнутой системы на резонансной частоте больше или равен единице W ( j) 1, т.е. ср рез.

Тогда замыкание системы приводит к тому, что в системе возникнут незатухающие колебания на рез.Следовательно, будет неустойчивой. Если же W ( j) 1, т. е. ср рез, то амплитуда возникающих колебаний в системе будет уменьшаться и система придет в установившееся состояние.

Для ориентировочной оценки качества переходного процесса применяются различные критерии качества.

Частотные критерии используются для оценки параметров переходного процесса в системе по виду ее частотных характеристик.При этом для анализа минимально-фазовых систем достаточно только амплитудночастотных характеристик (рис. 5.5).Чем больше отношение М=А( рез )/А(0), тем больше колебательность переходного процесса. Чем шире эта характеристика, тем больше частота пропускания системы и меньше длительность переходного процесса.Запас устойчивости системы считается достаточным, если выполняется условие 1 М 1,8.

На комплексной плоскости критическая точка, соответствующая равенству резонансной частоты ( 1800 )и частоты среза ( W ( j) 1), имеет координаты (–1, j0).Взаимное расположение этой точки и АФХ разомкнутой системы служит основой формулировки критерия Найквиста– Михайлова.Система устойчива в замкнутом состоянии, если АФХ соответствующей разомкнутой системы не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами (–1,j0). Этому условию отвечают характеристики 1и 4 (рис. 4.5).

Если проходит через точку, то система находится на границе устойчивости. В случае, когда охватывает – система неустойчива.

Как отмечалось ранее, система управления всегда находится под воздействием возмущений. Для компенсации влияния указанных возмущающих воздействий на устойчивость системы при расчете вводят поправочныекоэффициенты в виде запаса устойчивости.

Рис. 4.5. Взаимное расположение точки (–1, j0) и АФХ разомкнутой системы Форма задания запаса устойчивости определяется принятым при расчете системы критерием устойчивости.

устойчивости системы задается в виде двух условий:

где W – запас устойчивости по амплитуде, – запас устойчивости по фазе.

На рис. 4.6 показано определение запаса устойчивости по фазе и амплитуде.

При проектировании систем рекомендуется принимать 300, W 0,5.

а) амплитудно-частотная характеристика; б) амплитудно-фазовая характеристика Тема 4.4. Качественные показатели САР Все показатели САР принято делить на две группы в соответствии с двумя основными режимами работы системы: установившимся и переходным.

Основным параметром, характеризующим работу САР в установившемся режиме, является статическая ошибка, представляющая собой разность между предписанным значением задающего воздействия g и значением выходного воздействия y (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Структурная схема системы автоматического регулирования В данной схеме ошибка е определяется как разность между g и у:

При отсутствии возмущающих воздействий f(t) откуда В установившемся режиме где k – статический коэффициент передачи разомкнутой системы, равный произведению статических коэффициентов передачи всех ее последовательно включенных звеньев.

При учете возмущающих воздействий статическая ошибка возрастает.

Для уменьшения статической ошибки необходимо увеличивать коэффициент передачи системы к. Но его нельзя увеличивать до бесконечности, так как система становится неустойчивой. В этом случае необходимо ввести в систему интегральную составляющую в закон регулирования.

Если к системе, находящейся в исходном установившемся состоянии приложить некоторое воздействие и если через конечное время после прекращения воздействия в результате переходного процесса система вернется в установившееся состояние, то такая система называется устойчивой.

В неустойчивых системах переходный процесс с течением времени неограниченно возрастает и система не возвращается в установившееся состояние. Но устойчивость – недостаточное свойство автоматической системы. Очень важно, как система переходит из одного устойчивого состояния в другое. Качество переходного процесса оценивается при помощи следующих параметров, отображенных на рис. 4.8. Будем определять качество регулирования совокупностью показателей, характеризующих форму кривой переходного процесса в замкнутой САР.

Рис. 4.8. Переходный процесс системы регулирования 1. Максимальное динамическое отклонение yдин – наибольшее отклонение регулируемой переменной от ее заданного значения в переходном процессе. В устойчивой САР максимальным является первое отклонение. Показатель yдин характеризует динамическую точность регулирования.

2. Перерегулирование, под которым понимают отношение Обычно допустимым считается до 50 %.

3. Остаточное отклонение (остаточная неравномерность) ycт – абсолютная статическая ошибка регулирования, определяемая как разность между установившимся значением регулируемой величины и ее заданным значением. Этот показатель характеризует точность регулирования в статическом режиме.

4. Степень затухания – отношение разности двух соседних амплитуд колебаний, направленных по одну сторону от линии установившегося значения, к большей из них; показатель характеризует колебательность переходных процессов и запас устойчивости системы;

значение =0 соответствует незатухающим колебаниям на границе устойчивости системы; при =1 имеем апериодический переходной процесс.

5. Время регулирования tр – промежуток времени от момента нанесениявозмущающего воздействия до момента, начиная с которого отклонение регулируемой переменной от установившегося значения и остается меньше первоначально заданного значения.

становится Показатель tр характеризует быстродействие системы.

Рассмотренные показатели качества относятся к группе прямых показателей, т. е. показателей, позволяющих оценить качество непосредственно по кривой переходного процесса, для получения которой необходимо решить дифференциальное уравнение системы. Рассмотренные параметры позволяют определить такие важнейшие свойства САУ, как быстродействие и динамическая ошибка.Требования в каждом конкретном случае оговариваются в техническом задании на систему.

Для ориентировочной оценки качества переходного процесса применяются различные критерии качества:

1. Корневые критерии качества основаны на анализе распределения на комплексной плоскости корней характеристического уравнения системы и применяются в основном для приближенной оценки качества переходных процессов систем низких порядков при всевозможных входных воздействиях.

2. Частотные критерии качества используют для оценки параметров переходного процесса в системе по виду ее частотных характеристик. При этом для анализа минимально-фазовых систем достаточно только амплитудно-частотных характеристик (см.рис. 5.6а ). Данные критерии позволяют судить о качестве регулирования, не имея в распоряжении кривой переходного процесса. К косвенным критериям, в частности, относятсяинтегральные критерии качества, представляющие интегралы по времениот отклонения регулируемой переменной от установившегося значения выходного воздействия системы.

Интегральный критерий качества. В отличие от ранее рассмотренных данный критерий позволяет производить обобщенную оценку переходного процесса без непосредственного численного определения отдельных его показателей. Интегральный критерий представляет собой определенный интеграл некоторых функций динамической ошибки системы (t ). В частности, широко применяют интегральные критерии следующих видов:

Критерий J1 (см. рис. 5.8) геометрически представляет собой площадь, заключенную между кривой переходного процесса и установившимся значением выходной величины системы ууст.Чем меньше значение J1, тем лучше переходный процесс.

В настоящее время получены специальные формулы, выражающие зависимость интегрального критерия от коэффициентов передаточной функции системы. Интегральные критерии особенно удобно использовать при синтезе оптимальных систем. Используя приведенные формулы, находят оптимальные значения искомых параметров, соответствующих минимуму принятого интегрального критерия.

Тема 4.5. Типовые законы автоматического регулирования и настроечные Закон автоматического регулирования – это уравнение регулятора, управляющее воздействие которого, т.е. выходная величина регулятора, зависит от ошибки системы и ее возмущающих воздействий (входные величины). На выходе регулятора вырабатывается управляющий сигнал, действие которого направлено на уменьшение отклонения текущего значения контролируемой величины от заданного значения:

1. Пропорциональный закон (П-регулятор):

где kp– коэффициент передачи регулятора; – разность между заданным и текущим значением измеряемой величины, или рассогласование.

2. Пропорционально-дифференциальный закон (ПД-регулятор):

где Tд – постоянная времени дифференцирования.

Благодаря наличию данный регулятор по сравнению с пропорциональным регулятором при прочих равных условиях оказывает на ОР большее воздействие, если возрастает, и наоборот.Регулятор как бы предваряет дальнейшее изменение регулируемой величины и благодаря этому устраняет быстро и плавно.

1. Интегральный закон (И-регулятор):

u = kp, где Ти– постоянная времени интегрирования.

2. Пропорционально-интегральный закон (ПИ-регулятор):

3. Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон ПИДрегулятор):

Для эффективной работы ПИД-регулятора необходимо установить правильные для конкретного объекта регулирования значения коэффициентов ПИД-регулятора Кр, Тд и Ти.

Все регуляторы, содержащие в законе регулирования интеграл, обеспечивают астатическое регулирование, так как =0 в статическом режиме. Для того чтобы выбрать настроечные параметры регуляторов, необходимо знать запаздывание, постоянную времени и Т, коэффициент передачи объекта Коб, т. е. необходимо знать передаточную функцию объекта, выраженную для объекта с самовыравниванием (статических) в виде и для объектов без самовыравнивания (астатических) в виде В табл. 4.1 приведены упрощенные формулы для определения настроек регуляторов на статических объектах.

Формулы для определения настроек непрерывных регуляторов В табл. 4.2 приведены упрощенные формулы для определения настроек регуляторов на астатических объектах.

Формулы для определения настроек непрерывных Формулы для определения настроек непрерывных регуляторов на статических объектах для возмущающих воздействий В табл. 4.3 приведены упрощенные формулы для определения оптимальных настроек регуляторов статических объектов, пред-ставленных моделью инерционного звена с чистым запаздыванием W(p)=, для возмущающих воздействий по заданию и нагрузке.

Тема 4.6. САР с усложненной структурой.

При автоматизации сложных объектов, характеризующихся большой инерционностью и значительными возмущениями, одноконтурные АСР с типовыми законами регулирования не всегда в состоянии обеспечить требуемое качество регулирования. Одним из способов повышения качества регулирования является усложнение структуры САР, что позволяет при автоматизации сложных объектов регулирования обойтись стандартным ассортиментом средств автоматизации [14].

Рассмотрим наиболее применяемые схемы САР с усложненной структурой, позволяющие повысить качество регулирования по сравнению с одноконтурными.

Структурная схема каскадной АСР приведена на рис. 4.9. Каскадная АСР является двухконтурной, содержащей внешний контур регулирования основной регулируемой переменной y с корректирующим (основным) регулятором Р2 и внутренний контур регулирования промежуточной регулируемой переменной y1 со стабилизирующим (вспомогательным) регулятором Р1.

Р1 – стабилизирующий регулятор внутреннего контура;

Р2 – корректирующий регулятор внешнего контура Wоб1(р) и Wоб(р) – передаточные функции объекта регулирования соответственно по каналу промежуточной и основной регулируемой переменной. Для структурной схемы объекта на рис. 4.10 справедливо выражение Регуляторы Р2 и Р1 включены последовательно, что и обусловило название «каскадная». Стабилизирующий регулятор воздействует непосредственно на рабочий орган объекта, изменяя регулирующее воздействие, а корректирующий регулятор воздействует на задатчик стабилизирующего регулятора, изменяя задание на промежуточную регулируемую величину.

Промежуточная регулируемая величина должна удовлетворять двум требованиям. Во-первых, реагировать на то же основное возмущение, которое действует на основную регулируемую величину. Во-вторых, инерционность объекта регулирования по каналу промежуточной регулируемой величины должна быть много меньше, чем по каналу основной.

При выполнении этих условий внутренний контур со стабилизирующим регулятором Р1 быстро реагирует на основное возмущение (так как инерционность объекта регулирования по каналу x– y1 невелика), что позволяет скомпенсировать его действие, не дожидаясь отклонения основной регулируемой переменной (как это было бы в одноконтурной АСР). Для компенсации оставшихся небольших по величине возмущений, на которые y1 не реагирует, а y реагирует, служит внешний контур с корректирующим регулятором Р2.

компенсируются быстродействующим стабилизирующим регулятором Р1, а оставшиеся небольшие возмущения компенсируются корректирующим регулятором Р2 изменением задания регулятору Р1.

За счет того, что вспомогательная регулируемая величина быстро откликается на основное возмущение, качество регулирования в каскадной АСР может быть существенно повышено по сравнению с одноконтурной.

Примером может служить каскадная АСР температуры в кубе ректификационной колонны. Температура кубового остатка регулируется подачей пара в кипятильник. Однако, если давление в коллекторе питающего пара часто и значительно меняется, целесообразно применить каскадную АСР со стабилизирующим контуром давления пара и корректирующим контуром температуры в нижней части (кубе) колонны.

Настройки регуляторов рассчитываются путем декомпозиции каскадной системы на две эквивалентные одноконтурные, исходя из гипотезы динамической (частотной) независимости внутреннего и внешнего контуров.

Настройки стабилизирующего регулятора рассчитывают по передаточной функции Wоб1(р) промежуточного объекта (канал «управляющее воздействие –промежуточный параметр»); настройки регулятора корректирующего контура – по передаточной функции эквивалентного объекта:

где Wоб(р) –передаточная функция по каналу «управляющее воздействие – выходной параметр».

По сравнению с одноконтурными каскадные АСР обеспечивают следующие преимущества:

1) существенное (в 1,5–20 раз) улучшение качества управления при отработке возмущений и обычно незначительное (в 1,5–2 раза) – при отработке управляющих воздействий;

2) поддержание управляемого (основного выходного) параметра (в примере Твых) на заданном значении с высокой степенью точности при большом запаздывании основного объекта управления;

3) быструю компенсацию возмущений, воздействующих на стабилизирующий (внутренний) контур регулирования, вследствие чего эти возмущения не приводят к большому отклонению управляемого параметра от заданного значения.

Рассмотренные выше замкнутые САР являются системами регулирования по отклонению регулируемой величины. Поводом для регулирования в таких системах является отклонение регулируемой переменной от заданного значения. Поэтому в таких системах принципиально невозможно достичь полной ликвидации отклонений регулируемой величины. Правда, величина отклонений уменьшается с ростом коэффициента передачи регулятора, однако максимально возможная величина коэффициента передачи регулятора ограничена соображениями устойчивости САР (с ростом коэффициента передачи регулятора запас устойчивости АСР уменьшается).

Итак, замкнутые САР реагируют на любое возмущение, приводящее к отклонению регулируемой величины от заданного значения. В то же время таким системам принципиально присуща ошибка и при определенных условиях они могут становиться неустойчивыми.

Существует еще один принцип регулирования – разомкнутые системы с компенсацией возмущения.

Рис. 4.10. Структурная схема комбинированной САР Она отличается от обычной одноконтурной тем, что через устройство компенсации вводится воздействие с целью компенсации возмущения.

При этом возможны два варианта ввода компенсирующего воздействия: на вход регулятора (вариант 1) или на его выход (вариант 2).

Технически проще вариант 1 (так как при его реализации складываются маломощные сигналы на входе регулятора), но в этом случае передаточная функция идеального компенсатора сложнее.

Пример комбинированной АСР: система регулирования уровня в барабане котла.Пусть на объект регулирования действует возмущение f с передаточной функцией Wк(p). Можно устранить влияние этого возмущения на регулируемую величину y, не дожидаясь ее отклонения. С этой целью вводится устройство компенсации возмущения (регулятор с прямой связью) с передаточной функцией Wк(p). Идея заключается в том, чтобы скомпенсировать влияние возмущения f на регулируемую величину y по каналу с передаточной функцией Wк(p)WобX(p), откуда получаем передаточную функцию идеального устройства компенсации возмущения.

Комбинированные системы могут быть построены по следующей схеме:1) синтезируется (оптимизируется) АСР, построенная на основе принципа регулирования по отклонению;2) рассчитываются структура и параметры компенсаторов; в классе линейных систем это означает, что рассчитываются передаточные функции компенсирующих каналов Wк(s), исходя из условий обеспечения инвариантности выходной величины к конкретному возмущению.

Для обеспечения физической реализуемости условий инвариантности применяется принцип двухканальности Б.Н. Петрова, по которому для обеспечения инвариантности выхода Y к возмущениюf оно должно распространяться в системе не менее чем по двум каналам, причем характеристики каналов должны быть одинаковыми, но противоположными по знаку. В случае когда второй канал распространения возмущения организуется путем воздействия на управляющий вход объекта (см. рис.

4.10), это означает, что должно выполняться условие где Wf об(p) и Wy об(p) – передаточные функции объекта по возмущающему и управляющему каналам.

Из данного условия следует, что Может оказаться, что Wk(p) является физически (или технически, если не позволяют возможности контроллера) нереализуемым звеном. В этом случае характеристики Wk(p) аппроксимируются подходящим динамическим звеном с заданной степенью точности. Обычно вначале обеспечивается выполнение вышеуказанного условия в статике, а затем по частотным характеристикам проводится последовательная аппроксимация интегродифференцирующими звеньями, начиная с первого порядка до достижения заданной точности.

Раздел 5. Регулирование основных технологических параметров К основным технологическим параметрам, подлежащим контролю и регулированию в химико-технологических процессах, относят расход, давление, уровень, температуру и показатели качества (концентрацию, плотность, вязкость и др.).

Тема 5.1. Регулирование расхода Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывного процесса. АСР расхода, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических процессов. Часто АСР расхода используют как внутренние контуры в каскадных системах регулирования других параметров. Для обеспечения заданного состава смеси или для поддержания материального и теплового балансов в аппарате применяют системы регулирования соотношения расходов нескольких веществ в одноконтурных или каскадных АСР.

Системы регулирования расхода характеризуются двумя особенностями: малой инерционностью собственно объекта регулирования; наличием высокочастотных составляющих в сигнале изменения расхода, обусловленных пульсациями давления в трубопроводе(последние вызваны работой насосов или компрессоров или случайными колебаниями расхода при дросселировании потока через сужающее устройство).

На рис. 5.1 дана принципиальная схема объекта при регулировании расхода.

Рис. 5.1. Схема трубопровода при регулировании расхода Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства FE) и регулирующим органом Хро. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров.

Основные параметры трубопровода как объекта управления:

внутренний диаметр d:

где Q –расход, м^3/с; v – скорость потока, м/с;

скорость потока v = 0,5 – 2,5 м/с;

гидравлическое сопротивление трубопровода:

потери давления на сообщение потоку скорости:

потери давления на преодоление трения потока о стенки трубопровода:

где = f(Re,l) – коэффициент трения;

потери давления на преодоление местных сопротивлений:

где мс – коэффициент местного сопротивления;

сопротивление, затрачиваемое на подъем жидкости на высоту h:

дополнительное сопротивление:

полное сопротивление:

мощность,которую необходимо затратить на перекачивание:

где – полный к.п.д. насоса;

н – к.п.д. насоса; п– к.п.д. передачи;

д – к.п.д. двигателя.

На рис. 5.2 приведена информационная схема трубопровода как объекта управления. Цель управления процессом Q=Qзд.

Рис. 5.2. Информационная схема трубопровода как объекта управления:

Хро – регулирующее воздействие; Рa, ha, Pb, hb – контролируемые возмущающие воздействия; Z – неконтролируемые возмущающие воздействия На рис. 5.3 приведена структурная схема объекта.

Уравнение динамики:

Уравнение статики:

Уравнение динамики во временной области на основе метода безразмерных переменных:

Уравнение динамики с учетом запаздывания:

Передаточная функция для выражения (8.5) будет иметь вид где Динамика канала «расход вещества через клапан – расход вещества через расходомер» приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно составляет доли секунд для газа и несколько секунд – для жидкости;

значение постоянной времени – несколько секунд.

Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчета АСР. В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода становится соизмеримой с инерционностью объекта и ее следует учитывать при расчете систем регулирования.

Приближенная оценка чистого запаздывания и постоянных времени отдельных элементов цепи показывает, что современные первичные преобразователи расхода, построенные на принципе динамической компенсации, можно рассматривать как усилительные звенья.

Исполнительное устройство аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого составляет несколько секунд, причем быстродействие исполнительного устройства существенно повышается при использовании позиционеров.

Импульсные линии, связывающие средства контроля и регулирования, аппроксимируются апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием, параметры которого определяются длиной линии и лежат в пределах нескольких секунд. При больших расстояниях между элементами цепи необходимо по длине импульсной линии устанавливать дополнительные усилители мощности.

Вследствие малой инерционности объекта рабочая частота может оказаться выше максимальной, ограничивающей область нормальной работы промышленного регулятора, в пределах которой реализуются стандартные законы регулирования. За пределами этой области динамические характеристики регуляторов отличаются от стандартных, вследствие чего требуется введение поправок на рабочие настройки с учетом фактических законов регулирования.

Выбор законов регулирования диктуется обычно требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР (рис. 5.4) применяют ПИ-регуляторы.

Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, регулятор расхода может осуществлять П-закон регулирования.

При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применение ПД- или ПИД-регуляторов не рекомендуется.

Рис. 5.4. Структурная схема системы регулирования расхода:

1 – объект; 2 – первичный преобразователь расхода; 3 – регулятор;

4 – импульсные линии; 5 – исполнительное устройство На практике находят применение три способа регулирования расхода.

1. Дросселирование потока на линии нагнетания. Схема регулирования на основе стабилизации Qн =Qс приведена на рис. 5.5. Данный способ является наиболее простым. Поток дросселируется именно на линии нагнетания, так как дросселирование потока на линии всасывания может привести к кавитации (срыву) потока и разрушению насоса.

Рис. 5.5. Схема регулирования на основе стабилизации Qн =Qс Установка Р.О. перед насосом недопустима, так как это ведет к снижению давления в насосе и способствует возникновению кавитации (колебательного режима).

Применение системы целесообразно при H с H н.

2. Байпасирование – перепуск части потока из основного трубопровода в обводную линию (рис. 5.6). Этот способ применяется для насосов с большим внутренним сопротивлением, производительность которых мало зависит от проходного сечения линии нагнетания (например, поршневых, шестеренчатых насосов). Для таких насосов закрытие регулирующего органа на линии нагнетания приводит к повышению давления в трубопроводе, что может привести к его разрыву.

Рис. 5.6. Схема регулирования на основе байпасирования При данном способе регулирования:

Qн– производительность насоса;

Qс=Qн–Qб– производительность сети;

Применение системы целесообразно при Q с Q н.

Система наиболее экономична, если 1.

3. Изменение напора в трубопроводе изменением числа оборотов вала насоса (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Система регулирования на основе изменения числа оборотов Данный способ позволяет исключить потери давления на регулирующем органе. Однако этот способ технически более сложен, так как требует применения регулируемого электропривода двигателя насоса.

Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера или изменением скорости движения ленты транспортера. Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем, описанных ниже.

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис. 5.8a) G1, называемый «ведущим», может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении у с первым, так что «ведомый» расход равен –yG1.

2. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотн о ш е ни я и об ы чн ы й р ег ул я то р дл я од н о й п е ре ме н н ой (рис. 5.8б).

Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношения Y, подается в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание «ведомого» расхода.

3. При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР «ведущего» расхода (см. рис. 6.10в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).

4. АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра у (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра так, что G2 yG1 (рис. 5.8г). Как отмечалось выше, особенность настройки каскадных АСР состоит в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливают ограничение xPH xP xPB. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограничению H B. Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы остается на предельно допустимом значении (т. е. H или B ).

Рис. 5.8. Схемы регулирования соотношения расходов:

а, б – при незаданной общей нагрузке; в – при заданной общей нагрузке; г– призаданной общей нагрузке и коррекции коэффициента соотношения по третьему параметру; 1, – измерители расхода; 3 – регулятор соотношения; 4, 7 – регулирующие клапаны; 5 – регулятор расхода; 6 – реле соотношения; 8 – регулятор температуры;

Тема 5.2. Регулирование давления Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе. Рассмотрим в качестве объекта регулирования емкость с газом. Поведение идеальных газов описывается уравнением Менделеева–Клайперона:

где p – давление; V – объем; M = m µ – число молей газа; m – масса газа;

µ – грамм/моль – число граммов, равное молекулярному весу; R – универсальная газовая постоянная, равная работе, совершаемой единицей массы идеального газа при изобарном нагревании его на один градус; Ta – абсолютная температура.

Рассмотрим емкость с идеальным перемешиванием:

Здесь Gвх, Gвых – массовые расходы на линиях притока и расхода соответственно;

f1, f2 – проходные сечения клапанов;

p1, p2, p – избыточные давления на входе, выходе и внутри емкости (выходное давление p2 равно атмосферному);

1, 2, – плотности газа на входе, выходе и внутри емкости (в силу гипотезы об идеальном перемешивании 2 = ).

Уравнение статики емкости:

Уравнение динамики:

или в приращениях:

Из уравнения (8.7) при V, Ta = const имеем Известно, что объемный расход газа находится по формуле следовательно, массовый расход определяется выражением В частности, расход на выходе емкости задается соотношением (поскольку p2 = 0).

Находя 2 = из уравнения МенделееваКлайперона (5.6) подставляя последнее выражение в (5.9) и линеаризуя результирующее соотношение, находим Подставляя (5.8) и (5.10) в (5.7), имеем или в стандартной форме:

Как видим, инерционность емкости пропорциональна ее объему, обратно пропорциональна проходному сечению f 2 и корню квадратному из абсолютной температуры.

Способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня жидкости (см. ниже). При наличии в технологической установке нескольких сообщающихся аппаратов достаточно стабилизировать давление в одном из них (как правило, в оконечном), а в остальных оно устанавливается само в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии аппаратов. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабилизируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов.

а) – в многокорпусной выпарной установке; б) – давления в ректификационной колонне; 1, 2 – выпарные аппараты; 3 – барометрический конденсатор; 4 – регулятор Например, в многокорпусной выпарной установке (рис. 5.9а) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В остальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое определяется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротивления технологической линии.

В тех случаях, когда давление существенно влияет на кинетику процесса, предусматривается система стабилизации давления в отдельных аппаратах. Примером может служить процесс ректификации, для которого кривая фазового равновесия существенно зависит от давления. Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют ее температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении.

Поэтому в продуктовых ректификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации давления (рис. 5.9б ).

Как видно из сравнения уравнений, способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. В рассмотренных выше примерах АСР давления регулирующими воздействиями выбраны расход несконденсировавшихся газов, отводимых из верхней части колонны, и расход охлаждающей воды в барометрический конденсатор, который влияет на скорость конденсации вторичного пара.

Особое место среди АСР давления занимают системы регулирования перепада давления в аппарате, характеризующего гидродинамический режим, который существенно влияет на протекание процесса. Примерами таких аппаратов могут служить насадочные колонны(5.10а), аппараты с кипящим слоем (рис. 5.10б) Рис. 5.10. Схема регулирования перепада давления:

а) в колонном аппарате с насадкой; б) в аппарате с кипящим слоем; 1 – аппарат; 2 – регулятор перепада давления; 3 – регулирующий клапан Тема 5.3. Регулирование уровня Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку и скорость изменения уровня равна нулю. Следует отметить, что «приток» и «сток»

здесь являются обобщенными понятиями. В простейшем случае, когда в аппарате не происходят фазовые превращения (сборники, промежуточные емкости, жидкофазные реакторы), приток равен расходу жидкости, подаваемой в аппарат, а сток – расходу жидкости, отводимой из аппарата.

В более сложных процессах, сопровождающихся изменением фазового состояния веществ, уровень является характеристикой не только гидравлических, но и тепловых и массообменных процессов, а приток и сток учитывают фазовые превращения веществ. Такие процессы протекают в испарителях, конденсаторах, выпарных установках, ректификационных колоннах и т. п.

В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида где S – площадь горизонтального сечения аппарата; Qвх, Qвых– расходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; Qоб – количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени.

Рассмотрим в качестве объекта регулирования емкость с идеальным перемешиванием жидкости.

Уравнение статики емкости:

Уравнение динамики:

или в приращениях:

где V=SH – объем жидкости.

ПриS = constимеем Согласно уравнению Бернулли, объемный расход находим по следующей формуле следовательно, массовый расход определяется выражением Или при р2=0 и р= gH расход на выходе емкости задается соотношением следовательно, Подставляя (5.13) и (5.14) в (5.12), делаем преобразования:

(Н3 – заданное значение уровня, в окрестности которого осуществляется линеаризация нелинейной характеристики.) Как видим, постоянная времени пропорциональна площади сечения, корню квадратному из уровня и обратно пропорциональна сечению сливного клапана.

В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:

1. Позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах:

Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Схема позиционного регулирования уровня:

1 – насос; 2 – аппарат; 3– сигнализатор уровня; 4– регулятор уровня;

При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную емкость.

2. Непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т. е. H = H°.

Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы. Например, в паровых теплообменниках уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы. П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.

При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов:

изменением расхода жидкости на входе в аппарат – регулирование «на притоке» (рис. 5.16а );

изменением расхода жидкости на выходе из аппарата регулирование «на стоке» (рис. 5.16б );

Pages: |

| 2 |

Главная >> Программы

[ СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА .pdf ]

Похожие работы:

«Бизнес-план завода по переработке сои Телефон: +7 (495) 9692718 Факс: +44 207 900 3970 [email protected] http://marketpublishers.ru Телефон: +7 (495) 9692718 http://marketpublishers.ru Бизнес-план завода по переработке сои Дата: Май, 2011 Страниц: 109 Цена: US$ 880.00 Артикул: SD8EBC243D2RU Интерес к сое и продуктам ее переработки неуклонно растет во всем мире. За последние 50 лет производство сои выросло почти в 9 раз, а число продуктов, производимых в настоящее время из сои...»

«УТВЕРЖДАЮ: Ректор ЧОУ ВПО ЮжноУральский институт управления и экономики_А.В. Молодчик 26 марта2014 г. ПРОГРАММА К ВСТУПИТЕЛЬНЫМ ИСПЫТАНИЯМ ПО ФИЗИКЕ является единой для всех направлений (специальностей) и форм обучения Челябинск 2014 Программа к вступительным испытаниям по физике / О.Р. Шефер. – Челябинск: ЧОУ ВПО Южно-Уральский институт управления и экономики, 2014. – 10 с. Программа является единой для всех направлений (специальностей) и форм обучения. Программа одобрена на заседании...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ Председатель совета юридического факультета д.ю.н., профессор _В.Д. Зеленский _г. протокол № РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Б3.Б. 18 МЕЖДУНАРОДНОЕ ЧАСТНОЕ ПРАВО (индекс и наименование дисциплины) Код и направление подготовки 030900.62 - Юриспруденция Государственно-правовой, Профиль...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ КРАЕВОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАЧАЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ УЧИЛИЩЕ № 79 П. КОШУРНИКОВО УТВЕРЖДАЮ: Зам. директора по УПР _И.Ф. Копнина _20г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ ПМ.08 Приготовление хлебобулочных, мучных и кондитерских изделий Профессия 260807.01 Повар, кондитер Нормативный срок обучения – 2 года и 5 мес. на базе основного общего образования Рабочая программа...»

«МБОУ Саврасовская основная общеобразовательная школа Рабочая программа по литературе 5 класс Учитель: Логинова Е.А. 2013 – 2014 уч.год Пояснительная записка Рабочая программа по литературе для 5 класса к учебнику В.Я.Коровиной, В.П.Журавлева, В.И.Коровина составлена на основе федерального компонента государственного стандарта основного общего образования и авторской программы (Учебник для общеобразовательных учреждений. Коровина В.Я., Журавлев В.П., Коровин В.И. Литература. 5 класс. В 2 частях...»

«ПРОГРАММА СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВТОРОКАМЕНСКИЙ СЕЛЬСОВЕТ ЛОКТЕВСКОГО РАЙОНА АЛТАЙСКОГО КРАЯ НА 2013-2017 ГОДЫ с.Вторая Каменка 1 ПАСПОРТ программы социально-экономического развития МО Второкаменский сельсовет Локтевского района Алтайского края на 2013годы Наименование Программа социально-экономического развития Программы муниципального образования Второкаменский сельсовет Локтевского района на 2013-2017 годы (далее - Программа). Основание для Закон...»

«Московский государственный Научно-учебный комплекс технический университет им. Н.Э. Баумана Инженерный бизнес и менеджмент Кафедра предпринимательства и внешнеэкономической деятельности (ИБМ-6) 105005 Москва, ул. 2-я Бауманская, 5 тел.: (499) 267 17 83 e-mail: [email protected] http://ibm.bmstu.ru/ibm6 ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ВСТУПИТЕЛЬНЫМ ИСПЫТАНИЯМ В МАГИСТРАТУРУ Направление 222600 Организация и управление наукоемкими производствами Магистерская программа 2226000268 Корпоративная...»

«Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Высшая школа государственного администрирования МГУ Программа вступительных экзаменов в магистратуру по менеджменту Высшей школы государственного администрирования (факультет) МГУ имени М.В.Ломоносова Программа составлена на основе государственного образовательного стандарта подготовки бакалавра по направлению 080200 МЕНЕДЖМЕНТ УТВЕРЖДЕНО на заседании Ученого совета ВШГА МГУ. Протокол № 8 от 27 декабря 2012 года Москва 2012 г....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Экономический факультет УТВЕРЖДАЮ Проректор по развитию образования _Е.В.Сапир _2012 г. Рабочая программа дисциплины послевузовского профессионального образования (аспирантура) Экономика труда, экономика народонаселения и демография по специальности научных работников 08.00.05 Экономика и управление народным хозяйством (по отраслям и сферам деятельности, в т.ч.: экономика, организация...»

«АСПИРАНТУРА ИСТОРИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА МГУ им. М.В.ЛОМОНОСОВА Кафедра истории южных и западных славян Программа вступительного экзамена в аспирантуру Цель вступительного экзамена по специальности в аспирантуру – оценить уровень знаний у абитуриентов по истории южных и западных славян определенного периода, по которому предполагается будущая специализация. Учитывая перспективы практической и научной деятельности будущих аспирантов, требования к их знаниям и умениям на вступительном экзамене по...»

«Саратовский государственный технический университет Балаковский институт техники, технологии и управления (филиал) ФГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет Кафедра: Промышленное и гражданское строительство. Аннотация к рабочей программе По дисциплине Проектирование специальных металлических сооружений Для направления подготовки 270800.62 – Строительство Профиль №1 Промышленное и гражданское строительство для студентов заочной формы обучения (сокращенное) форма обучения -...»

«Источник: ИС ПАРАГРАФ-WWW http://online.zakon.kz УКАЗ ПРЕЗИДЕНТА РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Об утверждении Государственной программы развития образования Республики Казахстан на 2011-2020 годы (с изменениями и дополнениями по состоянию на 02.11.2012 г.) В целях реализации Указа Президента Республики Казахстан от 1 февраля 2010 года № 922 О Стратегическом плане развития Республики Казахстан до 2020 года ПОСТАНОВЛЯЮ: 1. Утвердить прилагаемую Государственную программу развития образования Республики...»

«ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Данная рабочая программа составлена на основе федерального государственного стандарта основного общего образования, Примерной программы основного общего образования по истории для 5-9 классов образовательных учреждений и авторской программы А. А. Данилова, Л. Г. Косулиной История России. Особенности программы — ее интегративность, объединение курсов всеобщей и отечественной истории при сохранении их самостоятельности и самоценности. Курс История Средних веков формирует...»

«М И Н И С Т Е Р С Т В О С Е Л Ь С К О Г О Х О З Я Й С Т В А Р О С С И Й С К О Й ФЕ Д Е Р А Ц И И ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА (ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева) ПРОГРАММА Международная научно-практическая конференция БИОЭНЕРГЕТИКА: экологические, экономические и технологические аспекты (в рамках реализации инновационной образовательной программы...»

«Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Сатинская средняя общеобразовательная школа Рассмотрена на заседании Утверждена приказом педагогического совета №_424 от 31.08.12г. Протокол №.10 от 31.08.12 Директор школы Демина Т.Н. Рабочая программа по технологии 6 класс (индивидуальное обучение на дому Ереминой Лидии) Составила учитель технологии Комбарова И.Ф. 2012-2013 уч. год Рабочая программа ОСНОВНОГО ОБЩЕГО ОБРАЗОВАНИЯ по направлению ТЕХНОЛОГИЯ. ОБСЛУЖИВАЮЩИЙ ТРУД Технология....»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ при ПРЕЗИДЕНТЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ – ФИЛИАЛ РАНХиГС ОТЧЕТ О САМООБСЛЕДОВАНИИ Отчет о самообследовании Сибирского института управления – филиала РАНХиГС подготовлен в соответствии с пунктом 3 части 2 статьи 29 Федерального закона от 29.12.2012 г. № 273-ФЗ Об образовании в Российской Федерации,...»

«Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования города Москвы спортивно-педагогический Колледж Департамента физической культуры и спорта города Москвы РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ЧАСТНЫЕ МЕТОДИКИ АДАПТИВНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ Специальность - 050720. 52 физическая культура Квалификация - учитель физической культуры Форма обучения – очная Москва - 2011 Одобрена кафедрой Составлена в соответствии с психолого-педагогических Государственными требованиями к...»

«Институт проблем машиноведения РАН Лаборатория Управление сложными системами К ЕДИНОЙ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ, ВЫЧИСЛЕНИЙ И СВЯЗИ А. Л. ФРАДКОВ ИПМаш РАН, Санкт-Петербург (совместно с Б.Р.Андриевским, А.С.Матвеевым) _ НС по теории управляемых процессов и автоматизации, ИПУ РАН, 3 апреля 2008г. 1 Институт проблем машиноведения РАН Лаборатория Управление сложными системами План доклада 1. Введение. Актуальность проблемы 2. Состояние проблемы 3. Результаты работ в лаборатории Управление сложными...»

«А. Описание возможностей проекта А1. Название проекта: Организация производства изделий из древесно-полимерного композита а. Краткое название: Организация производства изделий из древесно-полимерного композита б. Полное название: Организация производства изделий из древесно-полимерного композита в. Краткое описание: Целью проекта является создание и развитие нового высокотехнологичного производства по выпуску строительных изделий из древесно-полимерного композита с использованием новых...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТУРИЗМА И СЕРВИСА Волгоградский филиал Кафедра туризма и сервиса ДИПЛОМНАЯ РАБОТА на тему: Разработка рекомендаций по совершенствованию услуг питания в ресторане при санатории ЗАО Русь (г. Анапа, Краснодарский край) по специальности: 100103 (09) Социально-культурный сервис и туризм (Ресторанный сервис)...»

наверх

<< ГЛАВНАЯ | КОНТАКТЫ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА (Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ»

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)